Drittmittelpro­jekte unserer Arbeitsgruppe

© SFB 1143

Wir beteiligen uns am Verbundprojekt der TU Dresden und DRESDEN Concept-Partnern Sonderforschungsbereich 1143 “Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie", das im Jahr 2015 an der TU Dresden gegründet wurde. Unser Teilprojekt C03 "Neutronenspektroskopie magnetischer Anregungen" konzentriert sich auf spindynamische Eigenschaften von spin-lokalisierten und itineranten Systemen mit magnetischer Frustration. Wir zielen auf das Verständnis von exotischen Tieftemperaturphasen wie Quantenspinflüssigkeiten, spinnematische Phasen oder Skyrmiongitter über ihr magnetisches Fluktuationsspektrum.

This individual research grant of the German Research Foundation was a logical continuation of our completed project IN 209/4. It was motivated by the theoretical prediction of topological Weyl magnons in Cu₂OSeO₃, which our group verified experimentally with neutron spectroscopy [Phys. Rev. Research 2 (2020), 013063], and by the observation of gapped pseudo-Goldstone magnon modes in the centrosymmetric cubic helimagnet ZnCr₂Se₄ that are not expected within linear spin-wave theory [Phys. Rev. X 7 (2017), 041049]. Here we continued with a systematic investigation of low-energy spin waves in helimagnets such as ZnCr₂Se₄, SrFeO₃, Sr₃Fe₂O₇, FeP, CrAs, FeAs with a particular focus on the possibility of topological magnon excitations, the emergent pseudo-Goldstone magnon modes, and the influence of noncoplanar multi-q spin structures on the low-energy spin excitation spectrum.

© Piezo Rotator

Dieses Projekt wurde durch unsere kürzliche Beobachtung einer starken winkelabhängigen Feldanisotropie magnetischer Anregungen motiviert, die im Schwere-Fermionen-Metall CeB₆ durch starke Magnetfelder induziert werden [Phys. Rev. X 10 (2020), 021010]. Um Neutronenstreuexperimente in Abhängigkeit von der Feldrichtung bei kontinuierlicher Rotation des Magnetfelds zu ermöglichen, haben wir piezoangetriebene Rotatoren entwickelt und gefertigt (siehe Abbildung), die mit den weltweit an Dreiachsenspektrometern und Flugzeit-Spektrometern eingesetzten Standard-Kryomagneten kompatibel sind. Diese neue Komponente der Probenumgebung ermöglicht es, Einkristallproben mit hoher Präzision in situ im Magnetfeld und bei tiefen Temperaturen zu rotieren. Damit eröffnet sie eine neue Dimension der Neutronenspektroskopie, indem sie die Aufnahme von Spin-Anregungsspektren bei beliebigem Impulsübertragungsvektor Q als Funktion des Magnetfelds und seiner Richtung erlaubt.

© BAMBUS-Analysatoren

Das neue Multidetektorsystem mit Energieanalyse namens BAMBUS soll die Fähigkeiten des am MLZ/FRM-II Forschungsreaktor in Garching bei München vom Jülicher Zentrum für Forschung mit Neutronen (JCNS) betriebenen Dreiachsenspektrometers PANDA für kalte Neutronen  erweitern, indem es ein einzigartiges Instrument zur effizienten Abbildung des Energie-Impuls-Raums bereitstellt, das mehrere Endenergien der gestreuten Neutronen gleichzeitig messen kann. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit ca. 1,4 Mio. Euro geförderte Projekt, an dem unsere Arbeitsgruppe seit 2013 beteiligt war, wurde im Jahr 2022 erfolgreich abgeschlossen. Auf dem Bild sieht man das Herz von BAMBUS – den Multianalysator, bestehend aus 250 mit höchster Präzision positionierten Graphitkristallen.

Dieses Projekt gehört zum neuen DFG Schwerpunktprogramm 2137 "Skyrmionics: Topologische Spin-Phänomene im Realraum für Anwendungen". Unser Ziel ist, Skyrmionphasen in neuen spintronischen Materialien in der Form von Einkristallen und einkristallinen Dünnfilmen zu identifizieren und charakterisieren. Unser Projekt bietet eine umfangreiche Charakterisierung von solchen Materialien über ihre ganzen magnetischen Phasendiagramme an, um die gezielte Suche nach meistversprechenden Verbindungen für Prototyp-Spintronikgeräte und ihre chemische Optimierung zu leiten. Unser wesentlicher Schwerpunkt liegt vor allem in den Materialien mit niedrigerer als kubische Kristallstruktur, wie tetragonale Heuslersche Legierungen, trigonale Co-Shandite und Dünnfilme, in denen zusätzliche durch Probengeometrie bedingte Anisotropie eingeführt wird. Dies soll uns helfen, die Rollen von Austauschparametern und Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkungen, einerseits, und von den Kristallanisotropien und oberflächen- oder grenzflächenbedingten Effekten, andererseits, in dem mikroskopischen Hamiltonian des Systems zu entflechten. Außerdem suchen wir gezielt nach möglichen Materialkandidaten, die antiferromagnetischen Skyrmionen aufweisen können, die noch bisher nicht eindeutig identifiziert werden konnten.

Dieses Einzelprojekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft zielte auf das Verständnis von der niederenergetischen Spindynamik und Helimagnon-Anregungen in magnetischen Materialien mit spiralartigen Spinstrukturen oder Skyrmiongitter.  Wir untersuchten Verbindungen, die durch unterschiedlichen Ganghöhen der Spin-Helix charakterisiert sind, oder, wenn sie im reziproken Raum betrachtet werden, durch verschiedene Inkommensurabilitätsparameter. Zu den untersuchten Systemen gehören sowohl symmetrische (Yoshimori-artige) Helimagnete wie ZnCr₂Se₄ [Phys. Rev. X 7 (2017), 041049; Phys. Rev. B 102 (2020), 184431] oder SrFeO₃ [Phys. Rev. B 101, 134406 (2020)] wie auch chirale Verbindungen mit antisymmetrischen Dzyaloshinskii-Moriia-Wechselwirkungen wie Cu₂OSeO₃ [Nature Comm. 7 (2016), 10725] oder andere Skyrmiongitter-Verbindungen mit der B20-Struktur. Diese Materialien umfassen den Anwendbarkeitsbereich sowohl von der Kleinwinkel-Neutronenstreuung als auch vom konventionellen Neutronenbeugungs- und Spektroskopieverfahren.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), hat dieses Einzelprojekt uns ermöglicht, das Verständnis der multipolaren Ordnungsphänomene bei niedrigen Temperaturen und der Spindynamik in Schwerfermion-Verbindungen wie CeB₆, Ce_1-xLa_xB₆, and Ce₃Pd₂₀Si₆ zu verbessern. Im Laufe dieses Projektes wurden einige wichtige Entdeckungen gemacht, insbesondere die erstmalige Beobachtung der inkommensurablen multipolaren Ordnung in Ce₃Pd₂₀Si₆, deren Propagationsvektor sich kontinuierlich durch ein externes Magnetfeld ändern lässt [Phys. Rev. B 94 (2016), 245132] und eine sehr systematische Untersuchung der feldinduzierten Magnonanregungen in der antiferroquadrupolaren Phase von CeB₆ [Phys. Rev. B 94 (2016), 035114]. Unser aktueller Wissensstand über das magnetische Phasendiagramm und die Spinanregungen in die Ce_1-xLa_xB₆ Verbindungsserie wurde in unserem aktuellen Review-Artikel zusammengefasst [Rep. Prog. Phys. 79 (2016), 066502]. Im Jahr 2017, nach einer äußerst positiven Begutachtung unserer ersten Projektphase, wurde die Förderung des Projekts von der DFG um weitere 3 Jahre bis 2020 verlängert. In dieser zweiten Förderperiode haben wir hauptsächlich die Anisotropie der magnetischen Phasendiagramme von Ce_1-xLa_xB₆ [Phys. Rev. B 103 (2021), 214415] und der multipolaren Anregungen in CeB₆ [Phys. Rev. X 10 (2020), 021010] als Funktion der Richtung des magnetischen Feldes untersucht.

© GRK 1621

Wir haben am Graduiertenkolleg 1621 teilgenommen, wo wir Spindynamik und nematische Ordnungsphänomene in neuartigen eisenbasierten unkonventionellen Supraleitern [C. R. Physique 17 (2016), 60-89], sowie Ordnungseffekte bei tiefen Temperaturen in itineranten F-Elektronsystemen erforschen.

     Das im Jahr 2016 abgeschlossene Projekt IN 209/1 gehörte zum DFG-Schwerpunktprogramm 1458 "Hochtemperatursupraleitung in Eisenpniktiden", das insgesamt 28 verschiedene Teilprojekte in ganz Deutschland umfasste. Unser Ziel war die elementaren Anregungen zu identifizieren, die die Supraleitung in Eisenpnictiden und Chalkogeniden mediieren, durch Analyze von den durch inelastische Neutronenstreuung gemessenen Spinanregungsspektren. Wir interessierten uns auch für die Natur der spin-nematischen Phase, die der magnetischen Ordnung in diesen Verbindungen voranfährt. Dieser rätselhafte Zustand ist besonders stabil in den vor kurzem entdeckten (CaFe_1−xPt_xAs)₁₀Pt₃As₈ Supraleitern, die häufig als "10-3-8" bezeichnet werden. Unsere Neutronenstreuungsmessungen in Kombination mit der NMR-Spektroskopie zeigten die Öffnung eines Pseudogaps weit über dem supraleitenden Übergang. Es war von der Bildung eines ungewöhnlichen Resonanz-ähnlichen Merkmals im Spin-Anregungs-Spektrum begleitet [Phys. Rev. B 91, 1045015 (2015)].
     Zudem interessierten wir uns auch für den Einfluss von magnetischen Verunreinigungen auf die Spindynamik. Immer wenn lokalisierte magnetische Momente in die supraleitenden FeAs-Schichten von Eisenpnictiden eingeführt werden, unterdrücken sie schnell die Supraleitfähigkeit und führen zur Bildung von nicht-kollinearer magnetischer Ordnung und anderen anomalen Phasen. Durch das Studium der durch Mangan dotierten BaFe₂As₂-Verbindung wiesen wir seinen Einfluss auf die Anisotropie-Lücke und die Dimensionalität von Spin-Fluktuationen sowie die Stabilisierung von (π, π) magnetischen Anregungen, die in der reinen BaFe₂As₂-Stammverbindung nicht auftreten [Phys. Stat. Sol. B 254 (2017), 1600162].