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Institutsleitung
Prof. Dr. Matthieu Le Tacon
Adresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für  Festkörperphysik
 Hermann-v.-Helmholtz-Platz 1
 D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Postadresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für Festkörperphysik
 Postfach 3640
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Telefon0721608-26751
Fax  0721608-24624
E-mail Carmen DoerflingerEzu6∂kit edu

Neutronenstreuung

Leiter: Dr. Frank Weber

Struktur und Dynamik von Festkörpern lassen sich mit Hilfe von elastischer und inelastischer Neutronenstreuung sowie mittels hochauflösender inelastischer Röntgenspektroskopie untersuchen. Der Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt auf der inelastischen Neutronenstreuung an Einkristallen zur Bestimmung der Phononendispersion und ihrer Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie chemische Zusammensetzung, Druck und Temperatur. Zunehmend werden auch magnetische Anregungen mit inelastischer Neutronenstreuung untersucht. Für diese Messungen betreibt das IFP ein Drei-Achsen-Spektrometer an einem thermischen Strahlrohr des ORPHÉE-Reaktors am Laboratoire Léon Brillouin (LLB) des CEA Saclay (bei Paris). Ein Drittel der Messzeit an diesem Gerät (derzeit ca. 60 Tage pro Jahr) steht dem IFP zur freien Verfügung. Darüber hinaus sind für uns andere Geräte des LLB sowie Geräte an anderen internationalen Neutronen- und Röntgenquellen über Messzeitanträge zugänglich.

Links: Thermisches Drei-Achsen Spektrometer 1T am ORPHÉE Forschungsreaktor. Rechts: Dispersionsfläche eines Phonons in der [110]-Ebene des Supraleiters YNi2B2C gemessen mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die starke Absenkung der Phononenenergien in der Nähe von q = (0,0,1)deutet auf eine starke Kopplung der Phononen an elektronische Freiheitsgrade hin.

Konventionelle Supraleiter

Die Untersuchung der gitterdynamischen Eigenschaften und insbesondere der Elektron-Phonon-Kopplung (EPK) in Supraleitern mittels inelastischer Streuung von Neutronen und Röntgenstrahlen bietet einen einzigartigen Einblick in diese Materialien. EPK ermöglicht in konventionellen Supraleitern eine attraktive Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen und somit die Bildung von Cooper-Paaren, die sich widerstandslos durch den Festkörper bewegen können. Phononen mit unterschiedlichen Wellenvektoren haben im Allgemeinen eine verschieden starke Kopplung an das elektronische System. Die detaillierte Untersuchung der EPK im ganzen Phononenspektrum und die Identifikation der für die Supraleitung relevanten Moden führt zu einem besseren Verständnis des supraleitenden Grundzustands. So ändert sich beim Eintritt in die supraleitende Phase durch die Öffnung der Energielücke die Linienform bestimmter Phononen drastisch.

Änderung der Linienform eines akustischen Phonons beim Eintritt in die supraleitende Phase von YNi2B2C (Tc = 15 K). Während die Linienform im normalleitenden Zustand gut von einer Lorentz-Funktion, gefaltet mit der instrumentellen Auflösung, beschrieben werden kann (Kreise), findet man bei tiefen Temperaturen eine stark asymmetrische Form (Quadrate). Der starke Intensitätsabfall bei T = 3 K hin zu kleinen Energieüberträgen markiert den Wert der supraleitenden Energielücke 2Δ = 5.7 meV, die von diesem Phonon abgetastet wird. Dieser Effekt erlaubt eine detaillierte Studie der Temperaturabhängigkeit von 2Δ und einer möglichen Anisotropie der Energielücke.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Direct Observation of the Superconducting Gap in Phonon Spectra
    F. Weber, A. Kreyssig, L. Pintschovius, R. Heid, W. Reichardt, D. Reznik, O. Stockert,
    K. Hradil
    Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 237002.
  • Phonon Line Shapes in the Vortex State of the Phonon-Mediated Superconductor YNi2B2C
    F. Weber, L. Pintschovius, K. Hradil, D. Petitgrand
    Phys. Rev. B 85 (2012) 224525.

Hochtemperatursupraleiter

Seit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in den Kupraten wurden in unserer Gruppe ausgedehnte Messungen an mehreren Hochtemperatursupraleitern (La2-xSrxCuO4, YBa2Cu3O7-x, Nd2-xCexCuO4) durchgeführt. Insbesondere wurden starke Anomalien in einer Cu-O Streckschwingung gefunden, wobei das Auslenkungsmuster der strukturellen Verzerrung der statischen Streifenordnung in La1.4Nd0.4Sr0.12CuO4 und La1.88Ba0.12CuO4 entspricht. Dieses Phänomen ist zwar am stärksten ausgeprägt in den Verbindungen mit einer statischen Streifenordnung, jedoch auch in supraleitenden Proben sichtbar und deutet darauf hin, dass auch supraleitende Kuprate zur Streifenordnung tendieren. Hier bleibt es jedoch bis zu tiefsten Temperaturenbei einer dynamischen Korrelation der Streifen.

Die Entdeckung von Supraleitung in Fe-basierten Verbindungen mit Übergangstemperaturen bis über 50 K hat das Interesse an unkonventioneller Supraleitung erneut bestärkt. Wie in den Kupraten, tritt die Supraleitung hier in direkter Nachbarschaft und Konkurrenz zu magnetisch geordneten Grundzuständen auf. In Arbeiten zu MFe2As2 (M: Erdalkali-Metall) und Ba(Fe1-xCox)2As2 ("122") sowie Fe1+yTe ("11") untersuchten wir zum einen die Gitterfreiheitsgrade systematisch auf Signaturen von Elektron-Phonon-Kopplung. Veranlasst durch den Befund unserer Theorie-Gruppe, dass die ab-initio berechneten Phononen die experimentellen Dispersionskurven besser beschreiben, wenn eine magnetische Ordnung zugrunde gelegt wird, suchten wir zum anderen nach Hinweisen auf eine Kopplung der Phononen an magnetische Freiheitsgrade. Im System Fe1+yTe wurden auch die magnetische Ordnung und Spindynamik untersucht.

Scans bei (H, 0, 0.5) und E = 6 meV gemessen oberhalb und unterhalb der Néeltemperatur TN = 67.5 K von Fe1.08Te. Schwarze horizontale Balken zeigen die instrumentelle Auflösung. Man beobachtet eine Änderung des Wellenvektors der Spinfluktuationen von einem kommensurablen (unterhalb TN) zu einem inkommensurablen Wert (oberhalb TN).


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Electron-phonon coupling reflecting dynamic charge inhomogeneity in copper oxide superconductors
    D. Reznik, L. Pintschovius, M. Ito, S. Iikubo, M. Sato, H. Goka, M. Fujita, K. Yamada, G. D. Gu and J. M. Tranquada
    Nature 440 (2006) 1170.
  • Phonons in Doped and Undoped BaFe2As2 Investigated by Inelastic X-ray Scattering
    D. Reznik, K. Lokshin, D.C. Mitchell, D. Parshall, W. Dmowski, D. Lamago, R. Heid, K.-P. Bohnen, A.S. Sefat, M.A. McGuire, B.C. Sales, D.G. Mandrus, A. Subedi, D.J. Singh, A. Alatas, M.H. Upton, A.H. Said, A. Cunsolo, Yu. Shvyd'ko, T. Egami
    Phys. Rev. B 80 (2009) 214534.
  • Competition between Commensurate and Incommensurate Magnetic Ordering in Fe1+yTe
    D. Parshall, G. Chen, L. Pintschovius, D. Lamago, Th. Wolf, L. Radzihovsky, D. Reznik
    Phys. Rev. B 85 (2012) 140515.

Kolossaler Magnetwiderstand und Ladungsordnung in Manganaten

Der kolossale Magnetwiderstand (CMR von Colossal Magnetoresistance) tritt in Manganaten z.B. in La1-xSrxMnO3 bei bestimmten Dotierungen auf und ist direkt verbunden mit dem Übergang von einer isolierenden Hochtemperaturphase mit Ladungsordnung zu einem ferromagnetischen metallischen Grundzustand mit der Übergangstemperatur TC. In CMR-Verbindungen kann die metallische Phase mit Hilfe von angelegten Magnetfeldern auch bei Temperaturen T > TC stabilisiert werden, was zu einer extremen Reduktion des elektrischen Widerstands führt (Faktoren > 100 möglich) und als kolossaler Magnetwiderstand bezeichnet wird. La1-xSrxMnO3 ist ein n=∞-Vertreter der Serie pseudo-kubischer, gemischt-valenter Manganate mit der allgemeinen chemischen Formel (R,A)n+1MnnO3n+1 (R: Seltenerdion, A: Alkalierd-Metallion, n: Anzahl der Schichten). Der Jahn-Teller-Effekt in Mn3+ führt zu einer starken Kopplung von Phononen an elektronische Freiheitsgrade und spielt daher eine zentrale Rolle für die Erklärung der komplexen Phasendiagramme und insbesondere des CMR-Effekts. Die Mn-O-Streckschwingungen entsprechen der Verzerrung der MnO6-Oktaeder durch den Jahn-Teller-Effekt von Mn3+-Ionen. Wir konnten in einem Vertreter der Doppelschichtmanganate (n=2), La2-2x Sr1+2xMn2O7 (x = 0.4), zeigen, dass Jahn-Teller-Verzerrungen als dynamische Fluktuationen (Polaronen) bis in den metallischen Bereich überleben, also ein polaronisches Metall den Grundzustand bildet. Vor Kurzem konnten wir auch den direkten Nachweis für einen Zusammenhang zwischen Elektron-Phonon-Kopplung und Ladungsordnung in dem zu 50% dotierten Doppelschichtmanganat LaSr2Mn2O7 erbringen.

Dispersionen und Linienbreiten der transversalen und longitudinalen Mn-O-Streckschwingungen bei T = 10 K in La1.2Sr1.8Mn2O7. Die Auslenkungsmuster dieser Phononen ist verwandt mit den statischen Jahn-Teller-artigen Verzerrungen der Hochtemperaturphase. Die starken Anomalien in der Nähe des Wellenvektors (1/4 1/4 0) zeigen, dass Verzerrungen als kurzlebige Fluktuationen bis weit in den metallischen Zustand überleben und damit den neuartigen Zustand eines polaronischen Metalls definieren.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Signature of Checkerboard Fluctuations in the Phonon Spectra of a Possible Polaronic Metal La1.2Sr1.8Mn2O7
    F. Weber, N. Aliouane, H. Zheng, J.F. Mitchell, D.N. Argyriou, D. Reznik
    Nature Mater. 8 (2009) 798.
  • Response of Acoustic Phonons to Charge and Orbital Order in the 50% Doped Bilayer Manganite LaSr2Mn2O7
    F. Weber, S. Rosenkranz, J.-P. Castellan, R. Osborn, H. Zheng, J.F. Mitchell, Y. Chen, S. Chi, J.W. Lynn, D. Reznik
    Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 207202.

Magnetische Struktur der Monosilizide Fe1-xMnxSi und Fe1-yCoySi

Die Monosilizide MnSi, FeSi und CoSi haben dieselbe kubische B-20-Kristallstruktur. Das Fehlen eines Inversionszentrums ermöglicht Dzyaloshinsky-Moriya-Wechselwirkung, die durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung hervorgerufen wird und eine senkrechte Einstellung benachbarte magnetische Momente energetisch bevorzugt. Aufgrund der dominanten ferromagnetischen Austauschwechselwirkung entwickeln MnSi und Fe1-yCoySi daher einen Grundzustand mit helikal angeordneten Spins. Gegenwärtig interessieren wir uns für Einzelheiten der magnetischen Ordnung und auch für die magnetischen und gitterdynamischen Freiheitsgrade in diesen Materialien. So konnten wir zeigen, dass langreichweitige helikale Ordnung in MnSi auch weit oberhalb der Curie-Temperatur TC = 29.4 K bestehen bleibt.

Numerische Rechnungen zur magnetischen Struktur von MnSi basierend auf einem Cluster von 6 x 6 x 6 Einheitszellen. Pfeile repräsentieren Mn Spins, wobei parallele Spins die gleiche Farbe haben.
Links: Helikale Ordnung entlang der kubischen (111) Achse, die durch Kristallanisotropie stabilisiert wrd. Rechts: Magnetische Struktur eines Clusters mit vernachlässigbarer Kristallanisotropie.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Magnetic Blue Phase in the Chiral Itinerant Magnet MnSi
    A. Hamann, D. Lamago, Th. Wolf, H. v. Löhneysen, D. Reznik
    Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 37207.
  • Lattice Dynamics in the Itinerant Helical Magnet MnSi
    D. Lamago, E.S. Clementyev, A.S. Ivanov, R. Heid, J.-M. Mignot, A.E. Petrova, P.A. Alekseev
    Phys. Rev. B 82 (2010) 144307.

Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Competing Phases in Superconducting Materials "

Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Competing phases in superconducting materials", die 2012 unter der Leitung von Frank Weber eingerichtet wurde, beschäftigt sich mit dem Einfluss der Elektron-Phonon-Kopplung (EPK) in Materialien mit konkurrierenden Grundzuständen, wobei ein Grundzustand die Supraleitung ist. Konkurrierende Ordnungszustände sind in vielen Verbindungen mit neuartigen physikalischen Phänomenen verknüpft, z. B. in Hochtemperatursupraleitern, Manganaten mit kolossalem Magnetwiderstand oder Multiferroika, und führen zu einem komplexen Wechselspiel zwischen magnetischen, strukturellen und Ladungsfreiheitsgraden. Oft ähneln die Phasendiagramme solcher Materialien dem der Kuprat-Hochtemperatur-Supraleiter: Supraleitung tritt auf, wenn die in Konkurrenz stehende Phase durch extrinsische Parameter wie Dotierung oder Druck hinreichend unterdrückt ist, z. B an einem quantenkritischen Punkt, an dem die Übergangstemperatur der konkurrierenden Ordnung zu T = 0 verschoben wurde. Das Verständnis des Verhaltens von Materialien auf Änderungen physikalischer Parameter ist eine wichtige Grundlage für die gezielte Entwicklung neuer Materialien. Experimentell nutzen wir energie- und wellenvektoraufgelöste inelastische Neutronen- und Röntgenstreuung, um z. B. in den Dichalkogeniden den Wettstreit von Supraleitung mit einem Ladungsdichtewellen-Grundzustand zu verstehen, der sich durch das Weichwerden, d.h. das Verschwinden der Energie der relevanten Phononen ankündigt.

Dispersion des longitudinalen akustischen Phononenzweigs über den Ordnungsvektor der Ladungsdichtewelle qCDW = (0.329,0,0) in NbSe2. Die Energie der Phononen bei qCDW erreicht Null bei der Überganstemperatur der Ladungsdichtewelle TCDW = 33 K. Der Wellenvektorbereich, in dem man eine starke Temperaturabhängigkeit der Phononenenergien beobachtet, ist jedoch überraschend groß und reflektiert eine starke q-Abhängigkeit der EPK-Matrixelemente.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Extended Phonon Collapse and the Origin of the Charge-Density Wave in 2H-NbSe2
    F. Weber, S. Rosenkranz, J.-P. Castellan, R. Osborn, R. Hott, R. Heid, K.-P. Bohnen, T. Egami, A.H. Said, D. Reznik
    Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 107403.
  • Electron-Phonon Coupling and the Soft Phonon Mode in TiSe2
    F. Weber, S. Rosenkranz, J.-P. Castellan, R. Osborn, G. Karapetrov, R. Hott, R. Heid,
    K.-P. Bohnen, A. Alatas
    Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 266401.

Mitarbeiter (in alphabetischer Reihenfolge)


Frühere Mitarbeiter

Prof. Dr. Markus Braden, Dr. Andreas Hamann, Dipl.-Phys. Andreas Kapuvari, Dipl.-Phys. Sven Krannich, Dr. Daniel Lamago, Christophe Meunier, Dr. Daniel Parshall, Dr. Lothar Pintschovius, Dr. Winfried Reichardt (1933-2016), Prof. Dr. Dmitry Reznik, Dr. Diego Zocco, et al.