Research Group Magnetic Resonance and Nuclear Probes

The research group on magnetic resonance and nuclear probes at the IFMP is headed by Prof. Dr. Hans-Henning Klauss.  In this research group approximately ten nice people (Bachelor, Master and PhD students as well as PostDocs, senior researchers and guest scientists together with administrative and technical staff members)   employ mainly the local probe techniques muon spin relaxation (µSR), nuclear magnetic resonance (NMR) and Mössbauer spectroscopy to study electronic correlations in condensed matter. We are in particular interested in unconventional magnetic and superconducting phases, in metals and insulators with topologically non-trivial band structures as well as in complex magnetic molecules.

Group members

Name	Funktion	Raum	Telefon +49-351-463-
Prof. Dr. Hans-Henning Klauss	Group leader	D 205	42125
Elke Wachsmuth	Secretary	D 206	34671
Dr. Sergej Granovski	Engineer	D 201	35410
Dr. Rajib Sarkar	Scientific assistant	D 203a	32404
Dr. Grinenko, Vadim	Scientific assistant	D 203a	32404
Bräuninger, Sascha Albert	PhD student	D 209	42120
Brückner, Felix	PhD student	D 210	37383
Dengre, Shanu	PhD student	D 209	42120
Weinhold, Tillmann	PhD student	D 210	37383
Seewald, Felix	PhD student	D 210	37833

Research Areas

The actual material systems we study show physical properties which are due to strong electronic interactions and need to be described in terms of many-body physics.  We examine transition metal oxides, e.g. cuprate high temperature superconductors and magnetic double perovskites, pnictide and chalcogenide iron-based superconductors,   insulating low dimensional quantum magnets with d-and f-electron magnetic ions in inorganic and organic matrices and single atom and single molecule magnets.

Moreover, condensed matter systems with non-trivial Fermi surface topologies such as topological insulators and Weyl semimetals are studied. Here, we examine the interplay of local magnetic moments with the topological properties of the cunduction electrons.

Besides poly- and  single-crystalline specimen with spatial dimensions in the millimeter range also thin films and multilayers with nanometer thickness are examined.

The main experimental techniques are the local probe methods  muon spin relaxation, nuclear magnetic resonance (NMR) und Mössbauer spectroscopy .  These microscopic techniques deliver in many research areas of modern solid state physics important information, which is complementary to thermodynamic and transport studies  as well as scattering techniques such as X-ray-, neutron- and electron scattering.

In addition thermodynamic properties such as specific heat, magnetic susceptibility   (ac- und dc), high field magnetization  studies up to 95 T  are performed between  milliKelvin and several hundered Kelvin. In cooperation with the IFW Dresden we perform electron spin resonance (ESR) experiments  at high frequencies (up to THz) and high magnetic fields (up to 35 T).

Actual Research Topics
 

Supraleitung und Magnetismus in komplexen itineranten Metallen

Im Frühjahr 2008  in der Materialklasse der Eisenpniktide wurde Supraleitung bei bis zu 55 K entdeckt. Bereits nach wenigenWochen wurde klar, dass hier eine neue Klasse von Hochtemperatursupraleitern mit vielen Strukturvarianten gefunden wurde, die in ihrer Universalität mit den Kuprat-Hochtemperatursupraleitern konkurrieren kann.

Auch in diesen Verbindungen sind magnetische Korrelationen wichtig und langreichweitige magnetische Ordnung konkurriert mit der Supraleitung. Hier ein elektronisches Phasendiagramm, dass wir mit Hilfe der µSR, Mössbauerspektroskopie und Röntgendiffraktion gemessen und in der Zeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht haben.

Wesentliche Unterschiede zu den Kupraten liegen darin, dass alle diese Systeme Halbmetalle mit komplexen Multiband-Fermiflächen sind und lokale Coulombkorrelationen weit weniger wichtig sind. Mit der Myonenspinrelaxation, Mössbauerspektroskopie und NMR untersuchen wir die elektronischen Grundzustände, deren Ordnungsparameter und die elektronischen Phasendiagramme als Funktion von Dotierung, externem Druck und Magnetfeld.

Heute wissen wir, dass die typischen elektronischen Phasendiagramme der Eisen-basierten Supraleiter neben Magnetism und Supraleitung noch eine weitere elektronische Instabilität zeigen können, die sogenannte nematische elektronische Ordung. In dieser Phase treten in vielen elektronischen Eigenschaften planare Anisotropien auf, ohne das eine magnetische Ordnung vorliegt.

In 2017 konnten wir zeigen, das durch die Konkurrenz von verschiedenen supraleitenden Phasen mit unterschiedlichen Ordnungsparameter-Symmetrien ein sehr seltener supraleitender Zustand mit gebrochener Zeitumkehrinvarianz entsteht:

Magnetische Ordnung in Weyl-Semimetallen

Hochfeldzustände in Schichtsupraleitern

In Supraleitern mit einem ausgeprägt zweidimensionalen Elektronensystem treten bei großen Magnetfeldern neue komplexe Mischphasen mit koexistierenden magnetischen und supraleitenden Ordnungsparametern auf. Neben der bereits vor 40 Jahren postulierten Fulde-Ferrel-Larkin-Ovshinnikov-Phase (FFLO) bestehend aus einer räumlich modulierten Abfolge von supraleitenden und paramagnetischen Ebenen werden aktuell noch komplexere Zustände diskutiert. Neben organischen Supraleitern ist insbesondere der Schwer-Fermionen Supraleiter CeCoIn5 ein Modellsystem, an dem wir diese Phasen untersuchen.

Komplexe Topologien, Quantenkritikalität und Spintransport in niederdimensionalen Spinsystemen

Quasi-eindimensionale Quantenspinsysteme sind Modellsysteme der Vielteilchen-Quantenphysik. In der antiferromagnetischen 1-D Heisenbergkette Kupfer-Pyrazin-Dinitrat mit S=1/2 und kleiner Austauschenergie J ~10 K haben wir mit Hilfe der Kernspinresonanz erstmalig die kritische Spindynamik am Quantenphasenübergang von der Spinflüssigkeit zum Ferromagneten als Funktion des externen Magnetfeldes in einem sehr großen Feld- und Temperaturbereich untersucht. Für Spintronik-Anwendungen untersuchen wir die  elektronische Spindiffusion auf 1-D Ketten- und Spinleitersystemen und deren Korrelation mit dem Wärmetransport.Weiterhin interessieren uns komplexe magnetische Ordnungszustände in Systemen mit konkurrierenden magnetischen Wechselwirkungen.

Molekularer Magnetismus

Organische Materialien mit magnetischen Zentren ( Übergangsmetallkomplexe und Radikal-Moleküle) bilden einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten in userer Gruppe. Zur Zeit sind mehrkernige Moleküle sowie niederdimensionale Ketten- und Clustersysteme (Spinleitern, Ketten aus Dreiecks- und Tetraederstrukturen) Gegenstand der Forschung. Die Vielfalt der chemischen Synthese gestattet eine gezielte Variation der räumlich anisotropen Wechselwirkungen. Mit Hilfe von SQUID-, Hochfeld-Magnetometrie-, NMR- und µSR-Hochdruckexperimenten sowie Hochfrequenz-Elektronenspinresonanz in hohen Magnetfeldern wird die Wechselwirkung von Struktur, magnetischen Austauschpfaden und Kristallfeldanisotropien mit den magnetischen Grundzuständen und deren Anregungen untersucht.

Nanoskalige Ladungsordnung und Magnetismus in Übergangsmetalloxiden

Die Übergangsmetalloxide sind sicher eine der Materialklassen mit den vielfältigsten elektronischen Grundzuständen. Die Ursache hierfür ist eine nahezu identische Energieskala verschiedener Wechselwirkungen wie z.B. der Kristallfeldaufspaltung, der lokale Coulombwechselwirkung, der Spin-Bahn-Wechselwirkung und der magnetischen Austauschwechselwirkung. Aus diesem Grund können bereits kleine Änderungen am System zu sehr großen Änderungen der elektronischen Eigenschaften führen. Ein Beispiel sind die Hochtemperatursupraleiter, bei denen eine enge Nachbarschaft von magnetisch geordneten Grundzuständen mit dem supraleitenden Zustand beobachtet wird. Eine intensiv untersuchte Fragestellung ist die Wechselwirkung einer selbstorganisierten inhomogenen Anordnung der dotierten Ladungsträger in Form von Streifen oder Schachbrett-Quadratmustern mit der Entstehung des supraleitenden Zustands. Durch eine Ladungssegregation auf der Nanometer-Längenskala werden langreichweitige magnetische Ordnungsphänomene auch in den metallischen Kupraten mit hoher mittlerer Ladungsträgerkonzentration möglich. Das Phänomen der Ladungsordnung ist nicht auf Kuprate beschränkt, sondern tritt auch in anderen Übergangsmetalloxiden, wie z.B. den Vanadaten, Manganaten, Nickelaten und Kobaltaten, auf. Auch dort hat es einen entscheidenden Einfluss auf den elektronischen Grundzustand. Insbesondere in den Manganaten und Kobaltaten sind auch weitere Freiheitsgrade wie die Orbitalbesetzung (High-Spin-, Intermediate-Spin- oder Low-Spin-Konfiguration und langreichweitige orbitale Ordnung) wichtig. Ein wesentliches Ziel der Untersuchungen ist es, den Parameterbereich (Struktur, Ladungsträgerdotierung und -beweglichkeit) und diemagnetischen Eigenschaften dieser inhomogenen ladungsgeordneten Zustände zu bestimmen, um ein mikroskopisches Verständnis der physikalischen Prozesse zu entwickeln.