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Andreas Brühl

• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Tieftemperatureigenschaften dreier niedrigdimensionaler Spinsysteme. Der experimentelle Schwerpunkt liegt auf Messungen zur thermischen Ausdehnung und zur spezifischen Wärme, die mit einem hochauflösenden kapazitiven Dilatometer bzw. einem AC-Kalorimetrie-Aufbau durchgeführt wurden. Da die sogenannten magnetischen Grüneisenparameter, die die Stärke der Kopplung des magnetischen Teilsystems ans Gitter beschreiben, durchweg sehr groß sind, liefern insbesondere die thermischen Ausdehnungsmessungen wertvolle Informationen zum Verständnis der behandelten Systeme. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit stellen Messungen an der Hochdruckphase von (VO)2P2O7, kurz HP-VOPO, dar. Dieses System besteht aus alternierenden Spinketten, wobei die beiden Austauschkonstanten ähnliche Werte haben, das heißt es liegt nur eine schwache Alternierung vor. In der thermischen Ausdehnung beobachtet man eine insbesondere in Kettenrichtung sehr ausgeprägte Anomalie bei etwa 13 K. Die Erklärung dieser Anomalie offenbart einen neuartigen Aspekt von alternierenden Spinketten mit schwacher Alternierung, der auf dem Vorhandensein von zwei deutlich verschiedenen Energieskalen beruht, zum einen der größeren der beiden Austauschkonstanten und zum anderen der Energielücke im System. Eine sehr gute quantitative Beschreibung der thermischen Ausdehnungsmessungen gelingt durch eine Erweiterung des herkömmlichen Grüneisenmodells, welches eine Proportionalität zwischen den magnetischen Beiträgen zur thermischen Ausdehnung und zur spezifischen Wärme vorsieht, auf Systeme mit zwei magnetischen Austauschkonstanten. In diesem Fall tritt in der thermischen Ausdehnung ein zusätzlicher, zur Ableitung der Entropie nach der Energielücke proportionaler Term auf, der durch Messungen zur spezifischen Wärme nicht zugänglich ist. Aus den unter Verwendung dieses Modells bestimmten Grüneisenparametern lässt sich folgern, dass die ausgeprägte Tieftemperaturanomalie in HP-VOPO zum Teil von der starken Verzerrungsabhängigkeit der kleineren der beiden Austauschkonstanten, zum Teil aber auch von der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt verursacht wird. Das zweidimensionale Dimersystem SrCu2(BO3)2 hat insbesondere durch die Lokalisierung der Triplettanregungen und die dadurch bedingten Magnetisierungsplateaus bei gewissen Bruchteilen der Sättigungsmagnetisierung Berühmtheit erlangt. In der thermischen Ausdehnung wird eine deutliche Anomalie bei der gleichen Temperatur beobachtet (T = 8K), wo sie auch in der spezifischen Wärme auftritt. Sie lässt sich durch die thermische Anregung der lokalisierten Tripletts erklären. Abschließend werden Messungen am natürlichen Mineral Azurit vorgestellt, bei dem die Spins zu sogenannten Diamantketten angeordnet sind. In der Literatur wird noch diskutiert, ob es sich bei Azurit um die magnetisch frustrierte Variante einer solchen Kette handelt. In der magnetischen Suszeptibilität, der spezifischen Wärme und der thermischen Ausdehnung tritt eine auffallende Doppelstruktur auf. Im Tieftemperaturbereich lässt sich die spezifische Wärme gut mit dem effektiven Modell einer homogenen Spinkette beschreiben. Auch der lambdaförmige antiferromagnetische Ordnungsübergang wurde untersucht und das in der Literatur bis B = 2 T gegebene Phasendiagramm, bestehend aus paramagnetischer, antiferromagnetische und Spin-Flop-Phase, bis B = 10 T erweitert.