AG Magnetische Resonanz und Nukleare Sonden

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Mitarbeiter
   2. Forschungsgebiete
   3. Aktuelle Schwerpunkte der Forschung  
      1. Supraleitung und Magnetismus in komplexen itineranten Metallen
      2. Magnetische Ordnung in Weyl-Semimetallen
      3. Hochfeldzustände in Schichtsupraleitern
      4. Komplexe Topologien, Quantenkritikalität und Spintransport in niederdimensionalen Spinsystemen
      5. Molekularer Magnetismus
      6. Nanoskalige Ladungsordnung und Magnetismus in Übergangsmetalloxiden

Die Arbeitsgruppe Magnetische Resonanz und Nukleare Sonden wird von Prof. Dr. Hans-Henning Klauss  (Professur für Festkörperphysik/Elektronische Eigenschaften) geleitet.

Mitarbeiter

Name	Funktion	Raum	Telefon +49-351-463-
Prof. Dr. Hans-Henning Klauss	AG-Leitung	D 205	42125
Elke Wachsmuth	Sekretärin	D 206	34671
Dr. Sergej Granovski	Ingenieur	D 201	42120
Dr. Rajib Sarkar	Wiss. Mitarbeiter	D 203a	32404
Dr. Grinenko, Vadim	Wiss. Mitarbeiter	D 203a	32404
Bräuninger, Sascha Albert	Doktorand	D 209	42120
Brückner, Felix	Doktorand	D 209	42120
Dengre, Shanu	Doktorand	D 209	42120
Weinhold, Tillmann	Doktorand	D 210	37383
Seewald, Felix	Doktorand	D 202	37833

Forschungsgebiete

Im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses steht die Untersuchung von Materialien mit starken elektronischen Korrelationen. Die untersuchten Stoffklassen reichen von Übergangsmetalloxiden, zu denen z.B. die Kuprat-Hochtemperatursupraleiter gehören über metallische Systeme mit seltenen Erden bis zu organischen Verbindungen mit supramolekularen Metallkomplexen, den molekulare Magneten.

Weiterhin erforschen wir Festkörper-Systeme mit unkonventionellen Fermiflächen-Topologien  wie z.B. topologische Isolatoren und Weyl Semimetalle. In diesen Systemen untersuchen wir insbesondere die Wechselwirkung von lokalen magnetischen Momenten mit den topologischen Eigenschaften der Leitungselektronen.

Neben Volumenfestkörpern (Poly- und Einkristalle mit äußeren Abmessungen im Millimeterbereich) werden auch dünne Filme und Vielfachschichten mit Schichtdicken im Nanometerbereich sowie Nanosysteme untersucht.

Die wesentlichen experimentellen Techniken, die von uns eingesetzt werden, sind die lokalen Sondenmethoden Myonenspinrelaxation, Kernspinresonanz und Mössbauerspektroskopie . Diese Methoden liefern in vielen Bereichen der modernen Festkörperphysik und Materialwissenschaften wichtige Informationen, die sowohl komplementär zu Studien der Thermodynamik und der Transporteigenschaften als auch zu mikroskopischen Untersuchungen mit Röntgen-, Neutronen- und Elektronenstreuung sind.

Daneben werden thermodynamische Eigenschaften wie die magnetische Suszeptibilität (ac- und dc-Messungen), die Hochfeldmagnetisierung bis 60 T und die spezifische Wärme in einem weiten Temperaturbereich von milliKelvin bis einige hundert Kelvin untersucht. In Kooperation mit dem IFW Dresden führen wir auch Elektronenspinresonanzexperimente bei hohen Frequenzen (bis THz) und hohen Magnetfeldern (bis ca. 35 T) durch.

Aktuelle Schwerpunkte der Forschung
 

Supraleitung und Magnetismus in komplexen itineranten Metallen

Vor 10 Jahren  wurde in der Materialklasse der Eisenpniktide  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 die magnetischen Eigenschaften dieser inhomogenen ladungsgeordneten Zustände zu bestimmen, um ein mikroskopisches Verständnis der physikalischen Prozesse zu entwickeln.