AG Braden Röntgen und Neutronenstreuung

X8-Apex CCD diffractometer for single-crystal structure analysis
Canon floating-zone furnace for single-crystal growth
Röntgen diffraction pattern obtained for Ca2RuO4
crystal structure of Sr2RuO4
mounting of Sr2RuO4 crystals for inelastic neutron scattering experiments
Thermal triple-axis spectrometer at the Orphée reactor in Saclay (France)

 

Röntgen- und Neutronenstreuung

Streumethoden können die erste Frage zum Verständnis eines Materials beantworten: Wie ordnen sich Atome und Ionen zu der regelmäßigen Struktur des Festkörpers an? Wo sind die Atome?

Streumethoden geben zusätzlich Information über die Anregungen der unterschiedlichen Freiheitsgrade. Was tun sie?

Materialien mit interessanten Eigenschaften oder Funktionen werden zunächst in poly- und einkristalliner Form synthetisiert und eingehend charakterisiert.  Der Schwerpunkt unserer Tätigkeiten liegt in unterschiedlichen Streutechniken, um die Kristallstruktur und die Anregungsspektren zu bestimmen. Generell unterscheidet man die Beugung (= Streuung ohne Energieübertrag) zur Bestimmung der chemischen oder magnetischen Struktur von der inelastischen Streuung zur Analyse der Anregungen.

Röntgenstrahlen bieten den wichtigen Vorteil, dass sie leicht und preisgünstig im Labor erzeugt werden können, dafür ist die Intensität und Brillianz begrenzt. Wenn die Eigenschaften der  Labor-Röntgen-Quellen nicht ausreichen, verwendet man Synchrotronstrahlung an einer der zahlreichen Anlagen in Deutschland und in Europa.

Neutronenstrahlung ist aufgrund der völlig unterschiedlichen Wechselwirkung komplementär zur Röntgenstrahlung hinsichtlich der Strukturanalyse. So erlauben Neutronen die Bestimmung der Atomposition von leichten Elementen wie zum Beispiel dem Sauerstoff,  auch wenn eine Verbindung zusätzlich schwere Elemente aufweist. Zusätzlich kann man mittels Neutronenbeugung auch magnetische Strukturen bestimmen, wobei die Analyse der Neutronenpolarisation sehr detaillierte Untersuchungen ermöglicht. Von besonderer Bedeutung ist die exzellente Eignung der Neutronen, um damit Anregungen im Energiebereich 0.001 – 200 meV  zu untersuchen. Nahezu die komplette Kenntnis über die Dispersion von Phononen oder Magnonen stammt aus der inelastischen Neutronenstreuung.

Neutronenstrahlung kann man nicht mit einem simplen Laborverfahren erhalten, sondern sie wird an Spallationsquellen oder in Forschungsreaktoren erzeugt. Der deutschen Forschergemeinschaft steht seit 2005 mit dem Forschungsreaktor München II eine der weltweit führenden Anlagen zur Verfügung.

Thematisch bietet der weite Bereich der Übergangsmetallverbindungen mit starken elektronischen Korrelationen eine Fülle von Aspekten, die nicht zuletzt wegen ihrer möglichen Anwendungen studiert werden sollten. Das Verständnis der Supraleitung in den Kupraten ist zudem ein zentrales Problem der aktuellen Festkörperphysik, das sich verallgemeinern lässt: Man hat derzeit keine allgemeingültige Theorie für starke elektronische Korrelationen in Metallen.

Die in meiner Gruppe durchgeführten Arbeiten lassen sich grob in vier Bereiche aufgliedern.

1) Die neuartigen elektronischen Ordnungen entsprechend einer gekoppelten Ordnung von unterschiedlichen Freiheitsgraden sollen hinsichtlich ihrer Struktur sowie ihrer Anregungen untersucht werden. Hierbei finden sich viele Analogien zwischen den Streifenphasen, die in Hochtemperatursupraleitern beobachtet werden und deren Bedeutung für die Supraleitung nach wie vor rätselhaft ist, und Nicht-Kuprat-Systemen. Eine Übersicht und neueste Ergebnisse finden sich in: H. Ulbrich and M. Braden, Physica C 481, 31 (2012); H. Ulbrich et al. Phys. Rev. Lett. 108, 247209 (2012); H. Ulbrich et al. Phys. Rev. Lett. 106, 157201 (2011).

2) In Erweiterung der Arbeiten an Ruthenatverbindungen sollen starke elektronische Korrelationen in metallischen Verbindungen, insbesondere 4d- und 5d-Verbindungen, untersucht werden. Magnetische Anregungen in diese Materialien sind einerseits von zentraler Bedeutung in unkonventionellen Supraleitern, andererseits stellen sie ein grundlegendes Problem dar, das nur sehr unzureichend verstanden ist; für eine längere zusammenfassende Arbeit siehe:  P. Steffens et al.,  Phys. Rev. B 83, 054429, (2011).

3) In Multiferroika ist eine magnetische Ordnung eng mit einer ferroelektrischen Polarisation verknüpft, was gerade in Hinblick auf Anwendungen interessant erscheint. Hier kann man prinzipiell mit einem elektrischen Feld magnetische Information schreiben und umgekehrt. Die starke magneto-elektrische Kopplung führt auch zu kollektiven Anregungen, die einen gemischten Charakter besitzen, sogenannte Elektromagnonen. Wir untersuchen hier die komplexen magnetischen Strukturen und deren Dynamik sowie die – bislang unbekannte – Struktur der ferroelektrischen Polarisation. Für mehr siehe zB: D. Senff et al., Phys. Rev. Lett. 98, 137206 (2007).

4) Die Analyse der Anregungen in unkonventionellen Supraleitern soll Aufschluss über den supraleitenden Paarungsmechanismus geben. Die besondere Bedeutung von magnetischen Fluktuationen wird durch das Auftreten neuer Moden in den supraleitenden Phasen, sogenannte Resonanzmoden, belegt, wie sie erstmalig in den Kuprat-Hochtemperatursupraleitern beobachtet wurde. Unsere Arbeiten beschäftigen sich mit Sr2RuO4 und den 2008 entdeckten auf FeAs-Schichten basierenden Materialien; siehe zB: N. Qureshi et al., Phys. Rev. Lett. 108, 117001 (2012).

 

Möglichkeiten für Studienarbeiten in einer dieser vier Themenstellungen bestehen immer. Bei Interesse kontaktieren Sie mich bitte per e-mail (braden(at)ph2.uni-koeln.de).

 

 

Publikationen der Gruppe in 2013:

Electric Field Control of Terahertz Polarization in a Multiferroic Manganite with Electromagnons  A. Shuvaev, V. Dziom, Anna Pimenov, M. Schiebl, A. A. Mukhin, A. C. Komarek, T. Finger, M. Braden, and A. Pimenov, Phys. Rev. Lett. 111, 227201 (2013)

Universality of the Dispersive Spin-Resonance Mode in Superconducting BaFe2As2 C. H. Lee, P. Steffens, N. Qureshi, M. Nakajima, K. Kihou, A. Iyo, H. Eisaki, and M. Braden, Phys. Rev. Lett. 111, 167002 (2013)

Controlling toroidal moments by crossed electric and magnetic fields M. Baum, K. Schmalzl, P. Steffens, A. Hiess, L. P. Regnault, M. Meven, P. Becker, L. Bohatý, and M. Braden, Phys. Rev. B 88, 024414 (2013)

Magnetic phase diagrams, domain switching, and quantum phase transition of the quasi-one-dimensional Ising-like antiferromagnet BaCo2V2O8 S. K. Niesen, G. Kolland, M. Seher, O. Breunig, M. Valldor, M. Braden, B. Grenier, and T. Lorenz, Phys. Rev. B 87, 224413 (2013).

Temperature-dependent optical conductivity of layered LaSrFeO4 J. Reul, L. Fels, N. Qureshi, K. Shportko, M. Braden, and M. Grüninger, Phys. Rev. B 87, 205142 (2013)

Splitting of Resonance Excitations in Nearly Optimally Doped Ba(Fe0.94Co0.06)2As2: An Inelastic Neutron Scattering Study with Polarization Analysis P. Steffens, C. H. Lee, N. Qureshi, K. Kihou, A. Iyo, H. Eisaki, and M. Braden, Phys. Rev. Lett. 110, 137001 (2013)

Magnetic structure and magnon dispersion in LaSrFeO4 N. Qureshi, H. Ulbrich, Y. Sidis, A. Cousson, and M. Braden, Phys. Rev. B 87, 054433 (2013)

Stabilization of multiferroic spin cycloid in Ni3V2O8 by light Co doping N. Qureshi, E. Ressouche, A. A. Mukhin, V. Yu. Ivanov, S. N. Barilo, S. V. Shiryaev, and V. Skumryev Phys. Rev. B 88, 174412 (2013)