第一章 簡介
11 準一維自旋鏈簡介(
Quasi-One-Dimensional Spin Chain)
由於準一維(Q1D)自旋鏈系統具有不同的磁學性質，因此近年來 一值反覆的被人們所研究[1]。在古典描述下，一維海森堡反鐵磁鏈 (One-Dimensional Heisenberg Antiferromagnet，1D HAF)的基態 為沒有磁性的自旋單態(Nonmagnetic Spin-Singlet)，但是 Haldane 認為自旋為整數和自旋為半整數的系統，它們的基態是完全不同的 [2]，對於自旋為半整數的系統，它們沒有自旋能隙(Spin Gap or Haldane Gap)且基態為長程有序排列(Long-Range Order，LRO)，但 是對於自旋為整數的系統，它們的基態為沒有磁性的自旋單態且具有 自旋能隙，其中，自旋能隙為基態(Ground State)與第一基發態 (First excited State)的能階差值。以下為自旋為半整數與自旋為 整數的系統介紹。
1-2 自旋為整數的反鐵磁鏈
自旋為整數的反鐵磁鏈的特性為:
1. 具有自旋能隙在基態與第一激發態之間[2]
2. 基態不具有磁性又稱為 Spin Liquid
3.由於具有自旋能隙，所以基態穩定性較好，即使鏈與鏈之間有交互 作用，只要強度小於能隙，或是在具有弱磁各向異性(Weak Magnetic Anisotropy) 的材料中，基態依然不具有任何磁性[3]。
4.外加強大的磁場會破壞自旋能隙，使得原本沒有磁性的材料出現磁 性，例如: PbNi2V2O8[4]。
1-3 自旋為半整數的反鐵磁鏈
自旋為整數的反鐵磁鏈的特性為:
1.沒有自旋能隙(Gapless) 。
2.由於沒有自旋能隙，因此基態穩定性差，任何一點微擾(perturb- bation)都可能破壞基態。特別是以下兩點: 其一是晶格的行變會破 壞鏈的對稱性，稱為自旋-皮爾斯不穩定性(Spin-Peierls Insta- bility)，因此會產生一自旋能隙，例如:CuGeO3、BaCu2V2O8。
另外一點是，如果鏈間的耦合大於晶格內的耦合，則在溫度夠低的情 形下，相當於一個三維的反鐵磁系統。
1-4 目前研究的議題
由於目前對於準一維反鐵磁鏈系統的磁學性質，原因尚不明確，
推測造成的因素有: 鏈與鏈之間的交互作用(Interchain Intera- ction)、磁各向異性(Magnetic Anisotropy)、自旋空缺(spin vacancy)[5]…等，因此藉由一系列的異質同構(Isostructure)化合 物來研究，例如:
PbNi V O
2 2 8(S=1)[3]、SrNi V O
2 2 8(S=1)[6]、BaCu V O
2 2 8 (1
S = 2
)[7]、BaCo V O
2 2 8(3
S = 2
)[8]、SrCo V O
2 2 8(3
S = 2
)[9]、2 2 8
BaMn V O
(5
S = 2
)[10]…等，藉由改變不同的元素，比較彼此的特 性，進而找出影響磁性重要的因素。圖 1-1
SrCo V O
2 2 8的單位晶包結構，其中藍色-O、綠色-Co、紫色-V、黃色-Sr
3
1-5 本論文的材料 SrCo V O
2 2 8( 3
S = 2 )
為準一維反鐵磁系統，其晶格結構屬於四方晶系 (Tetragonal Crystal Strucure)，Space Group 為
2 2 8
SrCo V O
I cd
41 ，a=12.267、c=8.424 ，為了要清楚其它原子的位置，所以原子大小沒有按 照真實比例繪畫。
0
A
0
A
將 Sr 與 O 原子除去，可以觀察到
Co
+2(3
S = 2
)與 V 皆沿著 c 軸排 列，各自形成一條沿著 c 軸的螺旋鏈並且兩鏈彼此交錯。兩鏈的周期 也相同，每四個原子為一周期，如圖 1-2。。圖 1-2
Co
+2與 V 的鏈(把 O 與 Sr 除去)每個單位晶包內含有四個鏈，如圖 1-3。
圖 1-3 單晶內的四條鏈
1-6 研究動機
本論文利用核磁共振(NMR)研究技術，量測 V51 的 NMR 訊號。由 於準一維的磁性材料
PbNi V O
2 2 8(S=1)、SrNi V O
2 2 8(S=1)、BaCo V O
2 2 8 (3
S = 2
)..等，皆有人作過 NMR 的量測[11][12][13]，幸運地，我們 擁有的SrCo V O
2 2 8單晶樣品，並且BaCo V O
2 2 8SrN
的結構、原子間的距離皆 與的樣品相似，但是卻有不同的磁學性質，因此想比較兩者的 NMR 實 驗數據。並且想藉由 NMR 的頻譜，試圖分析出
i V O
2 2 8的磁性結構，例如: 是否具有磁場引起(field-induced)的磁性相變?
是 Spin-flop 相變還是反鐵磁-順磁相變? 且其磁性結構是 Commensurate 或 Incommensurate?
5