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Korrelierte Elektronen und komplexe Spinsysteme

Multiferroisches Verhalten aus komplexen Spinstrukturen

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Die Manipulation von magnetischen Momenten durch Anlegen eines elektrischen Feldes verspricht neue Anwendungen zur schnellen und strom- und damit widerstandslosen Datenspeicherung und Verarbeitung. Dazu werden Materialien mit einem starkem magneto-elektrischen Effekt benötigt. Gute Kandidaten sind Verbindungen mit gleichzeitiger langreichweitiger Ordnung des magnetischen Moments und des elektrischen Dipolmoments, sogenannte Multiferroika. In den letzten Jahre wurde eine Reihe von neuen Verbindungen gefunden, die das Einsetzen der ferro-elektrischen Ordnung in Verbindung mit dem Auftreten einer chiralen Spinstruktur zeigen. Entscheidend ist dabei, dass die magnetische Struktur nicht nur die Zeitinversionssymmetrie bricht, sondern auch die räumliche Inversionsymmetrie. Mittels Neutronen- und Röntgenstreuung untersuchen wir die Struktur und Dynamik in multiferroischen Materialien, wobei vor allem die Anwendung der Polarisationsanalyse neue Einblicke in die chiralen magnetischen Wechselwirkungen erlaubt.

Jörg Voigt

Wechselspiel verschiedener elektronischer Freiheitsgrade in korrelierten Oxiden

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Starke korrelierte Elektronen in Übergangsmetall-Oxiden aktivieren verschiedene elektronische Freiheitsgrade mit Ordnungstendenzen: Ladungs-, Orbital-, Spinordnung. Ein subtiles Wechselspiel dieser Freiheitsgrade führt zu komplexem Verhalten und neuen Phänomenen die für Anwendungen interessant sind. Wir studieren elektronische Ordnungen, Korrelationen und Anregungen mittels Synchrotron-Röntgen- und Neutronen-Streumethoden. Zum Beispiel identifizierten wir das Borat Fe2OBO3, durch Röntgenstreuung kombiniert mit Mössbauer Spektroskopie, als ein Modellsystem für Ladungsordnung mit faszinierenden, durch geometrische Frustration beeinflusste, Eigenschaften bei Raumtemperatur. Anzeichen für eine starke Kopplung zwischen elektronischen Korrelationen und Gitterdynamik werden zur Zeit untersucht mit kernresonanter Streuung und inelastischer Röntgenstreuung.

Manuel Angst

Multiferroizität aus Ladungsordnung

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Multiferroische Materialien, in denen magnetische Ordnung und Ferroelektrizität gekoppelt sind, haben großes Potential für Anwendungen in der Informationstechnologie, aber die traditionellen Mechanismen für Magnetismus und Ferroelektrizität sind inkompatibel. Ein potenzieller Ausweg ist Ferroelektrizität aus Spinstrukturen, welche jedoch den Nachteil hat, daß die erreichbare elektrische Polarisation für viele Anwendungen zu klein ist. Ein vor kurzem vorgeschlagener alternativer Mechanismus, welcher sowohl mit einer großen Polarisation als auch mit einer starken magnetoelektrischen Kopplung verträglich ist, ist Ferroelektrizität, herrührend aus spezifischen Ladungsordnungen. Zu diesem Mechanismus existieren erst sehr wenige Beispiele, etwa LuFe2O4. Wir untersuchen die magnetische Ordnung und die Ladungsordnung als Grundlage der Ferroelektrizität, sowie die Kopplung der beiden Ordnungen auf mikroskopischer Basis mittels Neutronen- und Röntgenstreuung.

Manuel Angst

Unravelling complex ordering phenomena with resonant soft x-ray scattering (RSXS)

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Strongly correlated electron systems such as 3d transition-metal oxides present exciting fundamental properties, e. g. the extraordinary colossal magnetoresistance effect or the multiferoic behaviour in manganites. Their rich structural, magnetic and electronic properties are governed by the interplay of lattice, spin, charge and orbital degrees of freedom. Identification of the ordered phases is a prerequisite for understanding the physical properties and unusual phenomena. The emerging RSXS technique is a powerful method for probing these phases individually since RSXS process depends on the anisotropy of the empty electronic levels as determined not only by the orbital filling on the resonant atom, but also by the geometrical distribution of its neighbours. Utilizing this method, we have successfully observed huge resonant enhancements of expected superlattice reflections, supporting direct and definitive evidence for ordering of charge, orbital and spin degrees of freedom in various single crystals, e.g. La1-xSrxMnO3, La2-2xSr1+2xMn2O7, Fe3O4, etc.

Yixi Su

Complex crystal and magnetic structures

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Complex transition metal oxides show strong interdependence of physical properties and atomic and magnetic structure, which give rise to new functionalities. As an example, the nature of the unusual ferromagnetic insulating phase in lightly doped La1-xSrxMnO3 with x ≅ 0.10-0.15 has attracted much attention and created controversies. A consensus on the importance of charge and orbital ordering (CO/OO) has been reached. However, the exact and detailed CO/OO model is still a puzzle just because of the bewildering structures. A combined Rietveld refinement with high-resolution neutron and x-ray powder data together with resonant x-ray scattering from a single crystal can identify the correct structural model. Utilizing this method, we have resolved the correlation between structural and magnetic properties of polycrystalline (air sintered, Ar and O2 annealed) and single-crystal La1-xSrxMn1±γO3±δ (x ≅ 1/8), etc.

Yixi Su

Der Tanz der Kagomé Spins in der Kälte

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Geometrische Frustration kann die Ordnung atomarer magnetischer Momente in einem Kristall unterdrücken. Mit polarisierter diffuser Neutronenstreuung haben wir die Spinfrustration in einem neuen Kobaltoxid untersucht, einer praktisch perfekten Realisierung eines Kagomé Modells.
Dabei haben wir null-Energiemoden von Spins beobachtet: Spins auf einem Hexagon gruppieren sich Entropie getrieben in einer kollektiven Bewegung, die allmählich in einen unvollständig geordneten Zustand mit nur kurzreichweitiger, chiraler (nicht-kollinearer) Ordnung einfriert.

Werner Schweika

Longitudinale Fluktuationen in Antiferromagneten

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Spinwellen sind transversale Moden, die in der Ein-Magnonstreuung beobachtet werden. Das vollständige dynamische Verhalten beinhaltet allerdings auch longitudinale Fluktuationen. Mit polarisierten Neutronen haben wir longitudinale Spin-Fluktuationen in 3D-Antiferromagneten untersucht, die von zwei-Magnon und Anregungen höherer Ordnung hervorgerufen werden. Anisotropie spielt eine wesentliche Rolle bei der Abschirmung longitudinaler Moden mit verschwindender Anregungsenergie.

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Werner Schweika

Chirale kritische Fluktuationen

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Im Gegensatz zu gewöhnlichen kollinearen (Anti-)Ferromagneten wird die Ordnung in Spin-Spiralen durch die Spinchiralität (C = SxS) als zusätzlicher Ordnungsparameter beschrieben. Sie ist verbunden mit einer 4-Spin-Korrelationsfunktion, die mit herkömmlichen Streuexperimenten nicht zugänglich ist. Polarisierte Neutronenstreuung in einem externen Feld bietet einen Zugang zum kritischen Verhalten der Spinchiralität. Dadurch konnte gezeigt werden, daß chirale magnetische Systeme zu einer eigenen Universalitätsklasse gehören. Ihr ungewöhnliches magnetisches Verhalten ist charakteristisch für neue chirale kritische Exponenten.

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Werner Schweika

Frustrierte magnetische Systeme

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Frustrierte magnetische Systeme können zu einer Vielzahl von kooperativen Spinzuständen führen - genannt Spin-Glas, Spin-Eis (z. B. Ho2Ti2O7) und Spin-Flüssigkeit (z. B. Tb2Ti2O7), die sich wie Glas, Eis und Flüssigkeit in der Natur verhalten. Alle diese interessanten magnetischen Eigenschaften resultieren aus der empfindlichen Symmetrie von frustrierten Spin-Spin-Wechselwirkungen. Deshalb studieren wir geometrische frustrierte magnetische Systeme, um ihre Grundzustände und angeregten Zustände zu verstehen, sowie die Wechselwirkung zwischen den Spins.

Jörg Voigt


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