This work presents macroscopic and microscopic experiments of the disordered hexagonal double perovskite BaTi1/2Mn1/2O3, in order to characterize its electronic, magnetic and structural properties to support the possibility that this system hosts a spin liquid phase. Such assumption is based on the absence of a transition to a magnetically ordered phase in the magnetic and thermodynamic measurements, which points to a strong magnetic frustration in this material. In addition, it is observed the formation of a correlated spin state. To characterize this correlation, we resorted to Muon Spin Resonance (µSR) experiments to measure the low temperature spin dynamics. The zero field µSR relaxation regime displays dynamic magnetism down to T = 0.019 K and longitudinal field experiments support as well that dynamic magnetism persists at low temperatures, a behavior expected for a spin liquid system. The magnetic behavior of BaTi1/2Mn1/2O3 consists in the high temperature physics being dominated by the presence of magnetic trimers, magnetic dimers, and orphan spins. At lower temperatures, the effective magnetic degrees of freedom, composed by orphan spins and magnetic trimers, are correlated but no phase transition is detected down to T = 0.1 K, despite the effective exchange couplings between magnetic trimers and orphan spins being -8.5 K, resulting in a magnetic frustration parameter of at least 85. The possibility that disorder is responsible for the spin liquid ground state is discussed, however, other scenarios are not totally discarded. For example, the possibility that the measured state is not the true ground state, which could lie at even lowers temperatures or the possible formation of a spin glass state. This work raises questions that are not easy to answer. Ultimately, the growth of a single crystal is necessary to continue the characterization of BaTi1/2Mn1/2O3. Besides, theoretical and experimental developments in this field of research are needed to find a more direct and conclusive way to characterize the magnetic phases in this complex material. / Neste trabalho apresento dados experimentais macroscópicos e microscópicos da peroviskita hexagonal dupla BaTi1/2Mn1/2O3, a fim de caracterizar sua estrutura eletrônica, magnética e cristalina para embasar a possibilidade deste sistema apresentar uma fase de líquido de spin. Esta hipótese está baseada na ausência de transição para uma fase magneticamente ordenada nas medidas magnéticas e termodinâmicas, que apontam para uma forte frustração magnética neste material. Além disso, é observada a formação de um estado de spins correlacionados. Para caracterizar esta correlação, recorremos para experimentos de ressonância de múons (µSR) para medir a dinâmica de spins em baixas temperaturas. Dados de µSR para campo magnético nulo mostram em seu regime de relaxamento um magnetismo dinâmico para temperaturas tão baixas quanto T = 0.019 K, adicionalmente, experimentos com campo magnético longitudinal aplicado apontam também que o magnetismo dinâmico persiste em baixas temperaturas, um comportamento esperado para um sistema de líquido de spin. O comportamento magnético do BaTi1/2Mn1/2O3 consiste na física de altas temperaturas sendo dominada pela presença de trimers magnéticos, dimers magnéticos e spins órfãos. Para temperaturas mais baixas, os graus de liberdade magnéticos são efetivamente compostos por spins órfãos e trimers magnéticos, que estão correlacionados mas nenhuma transição de fase é detectada para temperaturas tão baixas quanto T = 0.1 K, mesmo que a constante de interação efetiva entre os spins órfãos e os trimers magnéticos seja -8.5 K, resultando num fator de frustração magnética de ao menos 85. A possibilidade da desordem ser responsável pelo estado fundamental de líquido de spin é discutida, no entanto, outros cenários não estão totalmente descartados, por exemplo, a possibilidade de que o estado medido não seja o verdadeiro estado fundamental, e que este estaria em temperaturas ainda mais baixas ou a possível formação de um estado de vidro de spin. Este trabalho levanta questões que não são fáceis de responder. Por fim, o crescimento de uma amostra monocristalina é necessário para continuar a caracterização do BaTi1/2Mn1/2O3. Ademais, desenvolvimentos de cunho teórico e experimental neste campo de pesquisa são necessários para encontrar um método mais direto e conclusivo para caracterizar a fase magnética neste material complexo.

This work presents macroscopic and microscopic experiments of the disordered hexagonal double perovskite BaTi1/2Mn1/2O3, in order to characterize its electronic, magnetic and structural properties to support the possibility that this system hosts a spin liquid phase. Such assumption is based on the absence of a transition to a magnetically ordered phase in the magnetic and thermodynamic measurements, which points to a strong magnetic frustration in this material. In addition, it is observed the formation of a correlated spin state. To characterize this correlation, we resorted to Muon Spin Resonance (µSR) experiments to measure the low temperature spin dynamics. The zero field µSR relaxation regime displays dynamic magnetism down to T = 0.019 K and longitudinal field experiments support as well that dynamic magnetism persists at low temperatures, a behavior expected for a spin liquid system. The magnetic behavior of BaTi1/2Mn1/2O3 consists in the high temperature physics being dominated by the presence of magnetic trimers, magnetic dimers, and orphan spins. At lower temperatures, the effective magnetic degrees of freedom, composed by orphan spins and magnetic trimers, are correlated but no phase transition is detected down to T = 0.1 K, despite the effective exchange couplings between magnetic trimers and orphan spins being -8.5 K, resulting in a magnetic frustration parameter of at least 85. The possibility that disorder is responsible for the spin liquid ground state is discussed, however, other scenarios are not totally discarded. For example, the possibility that the measured state is not the true ground state, which could lie at even lowers temperatures or the possible formation of a spin glass state. This work raises questions that are not easy to answer. Ultimately, the growth of a single crystal is necessary to continue the characterization of BaTi1/2Mn1/2O3. Besides, theoretical and experimental developments in this field of research are needed to find a more direct and conclusive way to characterize the magnetic phases in this complex material. / Neste trabalho apresento dados experimentais macroscópicos e microscópicos da peroviskita hexagonal dupla BaTi1/2Mn1/2O3, a fim de caracterizar sua estrutura eletrônica, magnética e cristalina para embasar a possibilidade deste sistema apresentar uma fase de líquido de spin. Esta hipótese está baseada na ausência de transição para uma fase magneticamente ordenada nas medidas magnéticas e termodinâmicas, que apontam para uma forte frustração magnética neste material. Além disso, é observada a formação de um estado de spins correlacionados. Para caracterizar esta correlação, recorremos para experimentos de ressonância de múons (µSR) para medir a dinâmica de spins em baixas temperaturas. Dados de µSR para campo magnético nulo mostram em seu regime de relaxamento um magnetismo dinâmico para temperaturas tão baixas quanto T = 0.019 K, adicionalmente, experimentos com campo magnético longitudinal aplicado apontam também que o magnetismo dinâmico persiste em baixas temperaturas, um comportamento esperado para um sistema de líquido de spin. O comportamento magnético do BaTi1/2Mn1/2O3 consiste na física de altas temperaturas sendo dominada pela presença de trimers magnéticos, dimers magnéticos e spins órfãos. Para temperaturas mais baixas, os graus de liberdade magnéticos são efetivamente compostos por spins órfãos e trimers magnéticos, que estão correlacionados mas nenhuma transição de fase é detectada para temperaturas tão baixas quanto T = 0.1 K, mesmo que a constante de interação efetiva entre os spins órfãos e os trimers magnéticos seja -8.5 K, resultando num fator de frustração magnética de ao menos 85. A possibilidade da desordem ser responsável pelo estado fundamental de líquido de spin é discutida, no entanto, outros cenários não estão totalmente descartados, por exemplo, a possibilidade de que o estado medido não seja o verdadeiro estado fundamental, e que este estaria em temperaturas ainda mais baixas ou a possível formação de um estado de vidro de spin. Este trabalho levanta questões que não são fáceis de responder. Por fim, o crescimento de uma amostra monocristalina é necessário para continuar a caracterização do BaTi1/2Mn1/2O3. Ademais, desenvolvimentos de cunho teórico e experimental neste campo de pesquisa são necessários para encontrar um método mais direto e conclusivo para caracterizar a fase magnética neste material complexo.

Orientador: Eduardo Granado Monteiro da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T10:44:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GarciaFlores_AliFrancisco_D.pdf: 13566833 bytes, checksum: e4298b0e0c3ed24044ce44f96adc43dd (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Nesta tese são investigados dois sistemas magneticamente frustrados, a série de compostos isolantes RMn2O5 (R = Eu, Bi, Dy) e o composto intermetálico GdAI3, além do material isolante não frustrado de perovskita dupla Sr2CoUO6. O estudo destes sistemas foi realizado utilizando principalmente a técnica de Espectroscopia Raman e complementado por medidas de susceptibilidade magnética. Para o sistema RMn2O5(R = Eu, Bi, e Dy) apresentamos um estudo dos fônons ópticos de baixa e alta freqüência. Todos os cristais estudados mostraram deslocamentos anômalos nas freqüências dos fônons abaixo de uma nova temperatura característica, T* ~ 60-65 K. O sinal e magnitude dos deslocamentos dos fônons parecem estar correlacionados com o raio iônico de R. Por exemplo, analisando os fônons de alta freqüência, observamos amolecimento dos fônons para R = Bi e um endurecimento para R = Dy, e um comportamento intermediário para R = Eu no intervalo de temperatura entre TC / TN e T*, onde TC e TN são as temperaturas de transição ferrolétrica e antiferromagnética, respectivamente. Já para os fônons de baixa freqüência é observado um amolecimento dos fônons para R = Bi e um endurecimento para R = Eu e Dy na mesma região paramagnética, (TC/TN < T < T* ). Anomalias dos fônons foram também identificadas abaixo de TN ~ 40-43 K, refletindo o início de uma ordem magnética e/ou ferroelétrica de longo alcance da subrede de Mn. Medidas complementares de susceptibilidade magnética dc (x(T)) para o cristal RMn2O5 no intervalo de temperatura entre 2 e 800 K revelaram uma temperatura de Curie-Weiss q CW = -253(3) K, apresentando um grande parâmetro de frustração ( q CW = TN). A curva do inverso de x (T), subtraindo o termo diamagnético, sofre um desvio do comportamento de Curie-Weiss devido a correlações magnéticas abaixo de temperaturas da ordem de ~ qCW . Também, um aspecto interessante é a derivada do inverso da susceptibilidade, a qual mostra pontos de in exfleao a ~ 160 K e ~ T*, sendo esta última, a temperatura abaixo da qual as anomalias dos fônons foram observadas. Estes dados magnéticos dão apoio a nossas interpretações de medidas Raman, onde deslocamentos anômalos de fônons abaixo de T* são associados ao acoplamento spin-fônon, em um cenário de fortes correlações magnéticas. Portanto, nossos resultados sustentam uma frustração magnética significante, introduzindo uma nova temperatura característica T* e sugerindo um comportamento interessante para as correlações magnéticas na fase paramagnética neste sistema RMn2O5 (R = Eu, Bi, e Dy). No material GdAl3 as interações entre o grau de liberdade de spin e os deslocamentos atômicos foram estudadas por meio do espalhamento Raman polarizado em função da temperatura. Neste composto a camada de Gd 4 f 7é esférica, indicando que os efeitos de campo cristalino são de ordem superiores. O estudo do acoplamento spin-rede pode fornecer evidências do mecanismo de troca e o grau de correlações magnéticas neste sistema. Nossas medidas de espalhamento Raman em superfícies frescas mostraram fônons com comportamento de freqüência convencional, enquanto que superfícies crescidas naturalmente e polidas apresentam anomalias na freqüência dos fônons abaixo de uma temperatura característica T** ~ 50 K. Tais anomalias são possivelmente devido a uma modulação da energia magnética pelas vibrações da rede em uma fase paramagnética fortemente correlacionada. Um estado de spin totalmente correlacionado imediatamente acima de TN é deduzido de nossos resultados neste sistema frustrado. Também, sugerimos que o acoplamento spin-fônon em metais pode depender das condições de superfície da amostra devido a que anomalias dos fônons foram observadas só nas amostras de superfícies envelhecidas. Finalmente, para a perovskita dupla Sr2CoUO6, os modos Raman de primeira e alta ordem foram estudos em função da temperatura. Nossos dados de espalhamento Raman revelam a existência de duas temperaturas características, T1 ~ 150 K e T2 ~ 300 K, onde são observados comportamentos não convencionais das intensidades dos espectros Raman e um amolecimento anômalo na freqüência de um fônon de alta freqüência abaixo de T2. Estas anomalias sugerem a possibilidade de transições de fase estruturais e/ou eletrônicas a essas temperaturas características. Baseado nas modificações relevantes dos espectros Raman e o comportamento quase constante das posições dos modos de alta ordem com a temperatura, sugerimos uma contribuição do mecanismo Franck-Condon neste sistema / Abstract: In this thesis we present an investigation of two magnetically frustrated systems, namely the RMn2O5 series (R = Eu, Bi, Dy) and the intermetallic compound GdAl3, in addition to the double perovskite compound Sr2CoUO 6. These systems were studied mainly using the Raman spectroscopy technique and complemented with magnetic susceptibility measurements. For the system RMn2O5 (R = Bi, Eu, and Dy), we present a study of the low- and high-frequency optical phonons. All studied materials show anomalous phonon shifts below a new characteristic temperature, T*~ 60-65 K. The sign and magnitude of such shifts appear to be correlated with the ionic radius of R. For instance, the high-energy phonons evolve from softenings for R = Bi to hardenings for R = Dy, and show an intermediary behavior for R = Eu in the temperature range between TC/TN and T*. On the other hand, the low-frequency anomalous phonon behaviors show softenings for R = Bi and hardening for R = Eu and Dy in the same paramagnetic range ( TC/TN < T < T*). Additional phonon anomalies were identified below ~ TN ~ 40-43 K, re ecting the onset of long-range ferroelectric and/or magnetic order of the Mn sublattice. Complementary dc-magnetic susceptibility [x(T)] measurements for BiMn2O5 up to 800 K yield a Curie-Weiss temperature q CW = -253(3) K, revealing a fairly large frustration ratio ( q CW / TN). Deviations of the inverse magnetic suceptibility, substracting the diamagnetic term, from a Curie-Weiss paramagnetic behavior due to magnetic correlations were observed below temperatures of the order of q CW . An interesting feature is the derivative of the inverse susceptibility, which shows in ection points at ~ 160 K and ~ T*. Supported by x(T) data, the anomalous Raman phonons shifts below T* are interpreted in terms of the spin-phonon coupling, in a scenario of strong magnetic correlations. Overall, these results support significant magnetic frustration, introducing a new characteristic temperature ( T*), and suggest a surprinsingly rich behavior for the magnetic correlations in the paramagnetic phase in this system. In GdAl3, the interaction among the spin degree of freedom and the atomic displacements were investigated by means of polarized Raman scattering. In this compound the Gd 4 f 7 shell is spherical, indicating that the crystal field e ect can be neglected. The spin-lattice coupling provide a fingerprint of the exchange mechanism and degree of magnetic correlations in this system. Raman scattering in fresh broken surfaces shows phonons with conventional frequency behavior, while naturally grown and polished surfaces present frequency anomalies below a characteristic temperature T** ~ 50 K. Such anomalies are possibly due to a modulation of the magnetic energy by the lattice vibrations in a strongly spin-correlated paramagnetic phase. A fully spin-correlated state inmediately above TN is inferred from our results in this frustrated system. Also, we suggest that the spin-phonon coupling in metals may depend in the surface conditions due to phonon anomalies were observed only in old-surface samples. Finally, for the Sr2CoUO6 double perovskite, the first- and higher-order Raman modes were studied as a function of temperature. Our Raman scattering results revealed the existence of two characteristic temperatures, T1 ~ 150 K e T2 ~ 300 K, where we observed unconvencional intensity behaviors of the Raman spectra and an anomalous softening of a particular high-energy mode below T2. These anomalies suggest structural and/or electronic phase transitions at such characteristic temperatures. Based on relevant modifications of the Raman spectra and the near-constant position behavior with temperature, we suggest a contribution of the Franck-Condon mechanism in this system / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências