Magnetoelektrische Spektroskopie der Spin Anregungen in LiCoPO4
Die magnetoelektrische Spektroskopie ist eine kraftvolle berührungslose Methode für die Bestimmung aller off-diagonalen Elemente des magnetoelektrischen Tensors. Unsere Kollegen demonstrieren die Wikrsamkeit dieser optischen Methode durch die Messung der off-diagonalen magnetoelektrischen Antwort von LiCoPO4 in dem GHz-THz Bereich. Nach ihrer Erfindung ist die magnetoelektrische Wirkung in diesem Antiferromagnet vom symmetrischen (quadrupolaren) Teil des magnetoelektrischen Tensors dominiert.
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Ferroelektrizität in vektrochiralen Phasen
Die Chiralität, d.h. die Händigkeit von Objekten ist für viele Bereiche der Biologie und der Chemie von großer Bedeutung. Aber auch für physikalische Phänomene spielt Chiralität, z.B. bei Symmetrieaspekten in frustrierten Magneten, eine wesentliche Rolle. Bei nichtkollinearen magnetischen Grundzuständen können Spin-Spiralen auftreten. Für diese ist vorhergesagt, dass sogar oberhalb der magnetischen Ordnungstemperatur sogenannte vektorchirale Phasen auftreten, bei denen die Drehrichtung (entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) zwischen benachbarten Spins geordnet wird, jedoch keine explizite Winkelbeziehung zwischen benachbarten Spins besteht. Mittels magnetfeldabhängiger Polarisationsmessungen liefern wir erstmals den Beweis für das Auftreten dieses Phänomens in LiCuVO4, einem eindimensionalen Quantenmagneten mit konkurrierenden ferromagnetischen und antiferromagnetischen Wechselwirkungen (im gezeigten Phasendiagramm mit "VC" bezeichnet). Dieser Nachweis beruht darauf, dass der vektorchirale Zustand eine endliche ferroelektrische Polarisation bei Temperaturen oberhalb der dreidimensionalen Ordnung der Spin-Spirale impliziert.
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Optisches Pumpen der magnetischen Skyrmionen
GaV4S8 ist ein multiferroischer Halbleiter, der magnetische Zykloiden- (Cyc) und Néel-Typ Skyrmionengitter (SkL) Phasen in einem thermisch und magnetisch weiten Stabilitätsbereich aufweist. Wir untersuchen die kohärente Generierung kollektiver Spinanregungen in den Zykloiden- und Skyrmionenphasen mithilfe zeitaufgelöster magnetooptischer Kerr Spektroskopie. Nach unseren mikromagnetischen Simulationen sind diese Anregungen durch eine optisch induzierte Modulation der uniaxialen Anisotropie geführt. Unsere Ergebnisse strahlen die Spindynamik in anisotropischen Skyrmionenträger Materialien an und ebnen einen neuen Weg der optischen Manipulation ihrer magnetischen Ordnung.
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Die Untersuchung von Skyrmionenträgern mithilfe des Magnetoelektrischen Effekts im Mikrowellenbereich
Magnetische Skyrmionen in multiferroischen Materialien tragen auch eine Polarisation. Folglich können ihre kollektive Anregungen in dem Mikrowellenbereich durch sowohl die elektrischen als auch durch die magnetischen Felder der Mikrowellenstrahlung induziert werden. Dieser Mikrowellen-Diodeneffekt kann eine neue Möglichkeit der ultraschnellen Manipulation von Skyrmionen bieten.
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Bestimmung von AFM Domänen mithilfe des optischen magnetoelektrischen Effekts
Das ultimative Ziel der Erforschung von Multiferroika ist die Entwicklung einer neuen Generation von nichtflüchtigen Datenspeichern, in denen die magnetischen Bits über elektrische Felder geschaltet werden. In einer aktuellen Publikation in PRL berichten wir über die optische Identifizierung antiferromagnetischer Domänen in LiCoPO4, unter Ausnutzung der starken Absorptionsdifferenz an Spinwellenanregungen zwischen den Domänen. Die Kontrolle und das optische Auslesen von AFM/ME Domänen ist geeignet, die Entwicklung von magnetoelektrischen und Spintroniklaufwerken basierend auf AFM Isolatoren voranzutreiben.
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Schaltung des Stromflusses auf atomarer Skala
Domänenwände in ferroelektrischen Halbleitern sind vielversprechend als multifunktionale zweidimensionale Elemente für die nächste Nanotechnologie Generation. In Kollaboration mit der NTNU Trondheim (Norwegen) und der ETH Zürich (Schweiz) zeigen wir eine diodenartige Wechselstrom-zu-Gleichstrom Umwandlung basierend auf neutralen ferroelektrischen Domänenwänden in ErMnO3.
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Auf dem Weg zur Domänenwand-Elektronik
In Applied Physics Letters berichten wir über eine detaillierte Umpolungsstudie mittels elektrischem Feld am geometrisch-getriebenenen uneigentlichen Ferroelektrikum h-ErMnO3. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung der Frequenzabhängigkeit der Polarisationsänderung, die ähnlich wie in echten Ferroelektrika durch Bewegung der Domänenwände bedingt ist. Dieser Ansatz erlaubt die Kontrolle von Domänenwänden in den uneigentlich ferroelektischen Manganaten und stellt einen weiteren Schritt hin zu deren Einsatz in domänenwandbasierter Elektronik dar.
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Der James Clerk Maxwell Writers Prize 2017...
... für den besten Artikel eines Nachwuchswissenschaftlers im Philosophical Magazine ging an den Augsburger Physiker Sebastian Widmann. Sein Artikel "On the multiferroic skyrmion-host GaV4S8" ist nun für ein Jahr der Allgemeinheit frei zugänglich.
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Magnetische Beeinflussung von zykloidalen Domänen und elektrischer Polarisation in BiFeO3
Die zykloidale Spinstruktur im Multiferroikum BiFeO3 kann durch ein externes Magnetfeld umgeordnet werden. Dieses Phänomen wurde mittels Kleinwinkelneutronenstreuung untersucht. Es zeigte sich, dass die Ausbreitungsvektoren der Zykloiden rotieren, wenn das senkrecht zur polaren Achse angelegte Magnetfeld einen Wert von ~ 5 Tesla überschreitet. Zur Interpretation der Messergebnisse wurde ein phänomenologisches Modell vorgeschlagen.
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Experimentelle Hinweise auf den Gardner-Übergang
Gemäß theoretischer Vorhersagen soll tief im Glaszustand der Gardner-Übergang auftreten. Er entspricht einer weiteren Aufspaltung der die Moleküle beeinflussenden Energielandschaft und wird als relevant für verschiedene ungeordnete Systeme angesehen. Unsere detaillierten dielektrischen sub-Tg Messungen zweier Gläser zeigen bemerkenswerte Anomalien, die erstmals experimentelle Hinweise auf die Existenz dieses Übergangs in kanonischen strukturellen Gläsern geben.
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Experimentell erstmals nachgewiesen ...
... haben die Augsburger Physiker Alois Loidl und Zhe Wang in Kooperation mit Forschern aus Berlin, Dresden, Mumbai, Nijmegen und San Diego die 1931 erstmals theoretisch beschriebenen "Bethe Strings" – Anregungen stark gebundener Elektronen-Spins in eindimensionalen Quantenspinsystemen. Nachzulesen im international führenden Forschungsorgan "Nature".
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Ferroelektrisch-ferroelastische Domänen im Skyrmionmaterial GaV4S8
GaV4S8 ist ein multiferroischer Halbleiter, der gleichzeitig magnetische Néel-Typ Skyrmionen und elektrische Polarisation aufweist. Wir untersuchten die lokale Domänenverteilung in GaV4S8 mittels Piezoresponse Force Microscopy. Wir erwarten, dass die Kontrolle der Größe ferroelektrischer Domänen in polaren Skyrmionmaterialien für Confinement und Manipulation von Néel-Typ Skyrmionen genutzt werden kann.
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Skyrmionengitter-Grundzustand in GaV4Se8
In allen heute bekannten Materialien, die Skyrmionengitter ausbilden, wird die Skyrmionphase über thermische Fluktuationen stabilisiert. Daher existieren Skyrmionen nur in einem schmalen Temperaturbereich unterhalb der paramagnetischen Phase. Im Journal "Scientific Report" zeigen wir, wie allein durch eine geeignete Auswahl von Materialparametern die Skyrmionen bis hinunter zu null Kelvin thermodynamisch stabilisiert werden können. Wir fanden heraus, dass GaV4Se8 auch im Grundzustand eine stabile Skyrmionphase aufweist.
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Die multiferroischen hexagonalen Manganate RMnO3 zeigen ungewöhnliche topologisch-geschützte, vortexartige Domänenstrukturen. Hierbei weisen die ferroelektrischen Domänenwände (DW) und die Domänen selbst signifikant unterschiedliche Leitfähigkeiten auf. Mittels einer Ersatzschaltbildanalyse dielektrischer Spektren ist es uns kürzlich erstmal gelungen, Absolutwerte der Leitfähigkeit in den DW zu bestimmen und die wahre Natur des Ladungstransport-Mechanismus aufzudecken. Der Leitfähigkeitskontrast zwischen den Domänen und den DW erreicht bis zu einem Faktor 500, viel höher als bislang gedacht. Dieser Befund ist in hohem Maße anwendungsrelevant, z.B. für einen möglichen Einsatz in der Mikroelektronik, wobei die nanoskaligen DW statt der Domänen als aktive Bauelemente genutzt werden.
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Kristalle, flüssiger als Flüssigkeiten
Fest, flüssig und gasförmig – das sind die klassischen Zustände von Materie, die uns bekannt sind. Dass ein homogenes Material zwei dieser Eigenschaften gleichzeitig besitzen könnte, widerspricht unserer Alltagserfahrung. Noch unvorstellbarer scheint die Annahme, dass ein Material fest und zugleich nicht nur flüssig, sondern superflüssig – also ohne jegliche Viskosität – sein könnte. Gleichwohl wird von der Physik seit mehr als 50 Jahren dieser Zustand der Materie theoretisch vorhergesagt.
Zeitgleich mit zwei internationalen Forschergruppen, die durch die Anwendung sogenannter "Atomfallen" jetzt erfolgreich waren, berichten Physiker aus Augsburg und Dresden aktuell im international renommierten Journal "Science Advances" über die experimentelle Realisation von Supersolidität in Spinsystemen bei hohen Magnetfeldern. Es scheint, als könnte heute die 1970 von Antony Legget gestellte Frage "Can a Solid be Superfluid?" eindeutig mit "ja" beantwortet werden.
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Quantenflüssigkeit aus Spinspiralen in MnSc2S4
Einen unkonventionellen und exotischen magnetischen Quantenzustand entdeckten wir in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam:
Durch Neutronenstreuexperimente am Heinz-Maier-Leibnitz Zentrum in München und am Paul Scherrer Institut in Villingen (CH) konnte gezeigt werden, dass die magnetischen Momente in MnSc2S4 keine langreichweitige Ordnung ausbilden, sondern dass der Grundzustand als Quantenflüssigkeit aus fluktuierenden Spinspiralen charakterisiert werden muss. Darüber wurde im führenden Fachjournal "Nature Physics" berichtet.
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Wie wird aus der Schmelze Glas?
In einem soeben erschienenen Beitrag in dem führenden Fachjournal "Science" lösen wir zusammen mit Forschern der Universität Paris eine alte Streitfrage: Wir weisen nach, dass es sich bei der Erstarrung von Glas um einen durch Veränderung der Molekül-Kooperativität bedingten Phasenübergang handelt - allerdings um einen unkonventionellen.
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Die in unserer Arbeitsgruppe durchgeführten Untersuchungen decken ein weites Feld der Physik der kondensierten Materie ab. Unser besonderes Interesse gilt neuen Materialien für zukünftige Anwendungen in der Elektronik, unkonventionellen Grundzuständen, Supraleitern und der Dynamik ungeordneter und biologischer Materie.
Neben einer großen Anzahl von Methoden zur Probencharakterisierung ist die Kombination verschiedener spektroskopischer Methoden eine weitere Stärke unserer Gruppe. Dies erlaubt tiefe Einsichten in die mikroskopischen Eigenschaften kondensierter Materie. Diese Methoden umfassen nicht nur dielektrische, THz und optische Spektroskopie sondern auch Elektronenspin- und Kernspinresonanz-Methoden.
Nationale und internationale Kollaborationsprojekte
Unsere Arbeitsgruppe nimmt an verschiedenen speziell geförderten regionalen, nationalen und internationalen Kollaborationsprojekten teil:
Sino-German Cooperation on Emergent Correlated Materials
Das Chinesisch-Deutsche Zentrum für Wissenschaftsförderung (CDZ) finanziert ein von den Universitäten Zhejiang (Hangzhou) und Augsburg geleitetes Kooperationsprojekt chinesischer und deutscher Forschungsinstitute über elektronisch hochkorrelierte Materialien.
Project F4 "Magnetic Resonance on Correlated Matter"
Project F5 "Dielectric and Optical Spectroscopy on Correlated Electron Systems"
Ressourcenstrategische Konzepte für zukunftsfähige Energiesysteme
Das Graduiertenkolleg "Ressourcenstrategische Konzepte für zukunftsfähige Energiesysteme" fördert Doktoranden und Doktorandinnen zu Leitthemen zukunftsfähiger Energie- und Wertschöpfungssysteme.
