Quantum magnetic materials provide pathways to exotic spin-disordered phases. We study two broad classes of quantum spin systems and their ground states. The first class is that of spin-dimer systems, which form valence-bond-solid states. In such systems, competition between interactions among the dimers can lead to interesting magnetization behaviour. We explain the magnetization of Ba3Cr2O8 as a Bose-Einstein condensate of spin-carrying excitations. Furthermore, we investigate possible dimerized and nearby magnetically ordered states in the Shastry-Sutherland compound (CuCl)LaNb2O7. The second class of spin systems feature geometric frustration, which may stabilize spin-liquid states without any order or particular dimerization. We argue the proximity of the face-centred-cubic double perovskite La2LiMoO6 to such a phase, to explain its lack of long-range order. We argue for the coexistence of such a state, along with spiral magnetic order, to explain the anomalous thermodynamic measurements in the spin-density-wave phase of powder samples of Volborthite, a distorted kagome-lattice spin system. Finally, we study spin liquid phases that have spin correlations consistent with those found from inelastic neutron scattering of the disordered kagome-lattice material Herbertsmithite. We predict electron spin resonance absorption lineshapes associated with these phases.

Quantum magnetic materials provide pathways to exotic spin-disordered phases. We study two broad classes of quantum spin systems and their ground states. The first class is that of spin-dimer systems, which form valence-bond-solid states. In such systems, competition between interactions among the dimers can lead to interesting magnetization behaviour. We explain the magnetization of Ba3Cr2O8 as a Bose-Einstein condensate of spin-carrying excitations. Furthermore, we investigate possible dimerized and nearby magnetically ordered states in the Shastry-Sutherland compound (CuCl)LaNb2O7. The second class of spin systems feature geometric frustration, which may stabilize spin-liquid states without any order or particular dimerization. We argue the proximity of the face-centred-cubic double perovskite La2LiMoO6 to such a phase, to explain its lack of long-range order. We argue for the coexistence of such a state, along with spiral magnetic order, to explain the anomalous thermodynamic measurements in the spin-density-wave phase of powder samples of Volborthite, a distorted kagome-lattice spin system. Finally, we study spin liquid phases that have spin correlations consistent with those found from inelastic neutron scattering of the disordered kagome-lattice material Herbertsmithite. We predict electron spin resonance absorption lineshapes associated with these phases.

Orientador: Ricardo Luís Doretto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-03T02:41:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_LeonardoDaSilvaGarcia_M.pdf: 1468749 bytes, checksum: 2f4e22a34c4a72b7b68eec6673285298 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Abstract: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1547615/2015 / CAPES