Germanium-basierte multiferroische Verbindungen mit Melilitstruktur

  Ba2CoGe2O7 Urheberrecht: © IfK Kristallstruktur und magnetische Struktur von Ba2CoGe2O7 bei 4 K.

Magnetoelektrische multiferroische Verbindungen, bei denen sowohl elektrische Polarisation als auch magnetische Ordnung bei derselben Temperatur koexistieren und miteinander gekoppelt sind, sind in der modernen Festkörperphysik aufgrund ihrer möglichen Anwendbarkeit für Niedrigenergie-Informationsspeichermedien von erheblichem Interesse. Die Aufklärung der Mechanismen der magnetoelektrischen Kopplung in verschiedenen Materialien sowie die Entdeckung der neuen Arten magnetoelektrischer Multiferroika bleibt sowohl aus theoretischer als auch aus experimenteller Sicht eine herausfordernde Aufgabe.

  Magnon-Moden in Ba2CoGe2O7 Urheberrecht: © IfK Entwicklung der Magnon-Moden mit angelegtem magnetischen Feld in Ba2CoGe2O7 bei 4 K.

Für verschiedene Germanate vom Barium-basierten Melilit-Typ Ba2XGe207 (X = Mn, Co, Cu) und Co-Åkermanit-Silikate A2CoSi207 (A = Ca, Sr) wurde über elektrische Polarisation unter angelegtem Magnetfeld berichtet. Das spezielle Verhalten der elektrischen Polarisation im Magnetfeld (sowohl richtungs- als auch größenabhängig), das Auftreten von so interessanten magnetooptischen Phänomenen wie gigantischem Richtungsdichroismus von Terahertzlicht in Resonanz mit magnetischen Anregungen (Elektromagnonen), optischem magnetochiralen Effekt, Quadrochroismus, der durch den optischen magnetoelektrischen Effekt erzeugt wurde sowie Quantenschwankungen der dielektrischen Parameter bei hohen Feldern schließen einige der allgemein akzeptierten Modelle für Multiferroika vom Typ II aus, nämlich Spinstrom oder Austauschstriktion. Verschiedene neue mikroskopische Mechanismen wurden vorgeschlagen, um eine starke magnetoelektrische Kopplung in diesen Materialien zu beschreiben. Die meisten von ihnen basieren auf rein theoretischen Überlegungen. Eine genaue Kenntnis der magnetischen Ordnung und der magnetischen Anisotropie auf Elementarzellenebene und ihrer Entwicklung mit dem angelegten magnetischen und elektrischen Feld würde erheblich zur Unterscheidung zwischen verschiedenen theoretischen Modellen beitragen und das Verständnis der magnetoelektrischen Kopplung in diesen interessanten Materialien verbessern. Das Verständnis der Rolle der spezifischen magnetischen Atome und magnetischen Wechselwirkungen, die zu unterschiedlichen magnetischen Strukturen innerhalb derselben Kristallsymmetrie führen, und ihres Einflusses auf die entstehende elektrische Polarisation sind von grundlegendem Interesse.

 

An dem Thema arbeitende Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter:

Henrik Thoma, M. Sc. (IfK-JCNS Brückendoktorand)
Dr. Martin Meven (Wissenschaftler)
Dr. Rajesh Dutta (Postdoc)
Prof. Dr. Georg Roth (Betreuer der Doktorarbeit)

Publikationen:

  1. A. Sazonov, V. Hutanu, M. Meven, G. Roth, R. Georgii, T. Masuda and B. Nafradi, “Crystal structure of magnetoelectric Ba2MnGe2O7 at room and low temperatures by neutron diffraction”, Inorg. Chem. 57, 5089−5095 (2018).
  2. A. Sazonov, V. Hutanu, M. Meven, G. Roth, H. Murakawa, Y. Tokura, V. K. Guduru, L. C. J. M. Peters, U. Zeitler, L. F. Kiss, D. Szaller, B. Nafradi, and I. Kezsmarki, “Magnetic structure of the magnetoelectric material Ca2CoSi2O7” Phys. Rev. B 95, 174431 (2017).
  3. A. Sazonov, M. Meven, G. Roth, R. Georgii, I. Ke´zsma´rki, V. Kocsis, Y. Tokunaga, Y. Taguchi, Y. Tokura, & V. Hutanu, “Origin of forbidden reflections in multiferroic Ba2CoGe2O7 by neutron diffraction: symmetry lowering or Renninger effect?” J. Appl. Cryst. 49, 556-560 (2016).
  4. V. Hutanu, A. P. Sazonov, M. Meven, G. Roth, A. Gukasov, H. Murakawa, Y. Tokura, D. Szaller, S. Bordács, I. Kézsmárki, V. K. Guduru, L. C. J. M. Peters, U. Zeitler, J. Romhányi, and B. Náfrádi, “Evolution of two-dimensional antiferromagnetism with temperature and magnetic field in multiferroic Ba2CoGe2O7”, Phys. Rev. B 89, 064403 (2014).
  JCNS Urheberrecht: © JCNS

Förderung:

Jülich Centre for Neutron Science/Forschungszentrum Jülich,
Tasso Springer Fellowship Program