Forschung
Quantenmagnete sind ein ideales Versuchsfeld für die Vielteilchen-Quantenphysik. Die Forschung auf diesem Gebiet wird wie ein Ping-Pong-Ball zwischen Theorie und Experiment hin- und hergeschoben; entweder werden theoretische Vorhersagen mit Experimenten überprüft oder überraschende experimentelle Beobachtungen erfordern eine neue Theorie. In der Gruppe Quantenmagnetismus erforschen wir solche Modellverbindungen experimentell. Insbesondere untersuchen wir frustrierte Magnete wie SrCu2(BO3)2 und Sr2CuTe1-xWxO6 und magnetoelektrische Systeme wie LiMPO4 (M = Ni, Fe, Co, Mn) und TbPO4. In beiden Systemtypen sind die magnetischen und elektronischen Freiheitsgrade so miteinander verflochten, dass Symmetriebrechungen und Gitterverzerrungen eine Schlüsselrolle für den magnetischen Grundzustand und die physikalischen Eigenschaften im Allgemeinen spielen. Wir untersuchen diese Materialien mit internen Methoden wie der spezifischen Wärme und der magnetischen Suszeptibilität, aber unsere Expertise liegt in Neutronenstreuexperimenten, insbesondere unter extremen Bedingungen mit hohen Magnetfeldern und Drücken.
Die Neutronenstreuung ist die ideale Technik für die Untersuchung magnetischer Strukturen (Beugung) und Anregungen (Spektroskopie) - das zentrale Instrument in diesem Projekt. Das Neutron wechselwirkt sowohl mit den Atomkernen als auch mit den Spins in einer Probe. Das relativ schwache Wechselwirkungspotenzial des Neutrons mit der Materie ermöglicht außerdem die Untersuchung von Materialien innerhalb großer Geräte zur Kontrolle der Probenumgebung (Magnete, Öfen, Kryostate, Druckzellen usw.). Darüber hinaus ist sie die einzige impulsempfindliche experimentelle Sonde, die dem Energiebereich typischer magnetischer Anregungen entspricht und die Chiralität unterscheiden kann, wenn sie auch die Neutronenspinpolarisation analysiert. Der Nachteil ist ein schwaches Signal, das durch den inhärent geringen Neutronenfluss aus bekannten Reaktor- und Spallationsquellen nicht verbessert wird. Dennoch werden die Nachteile durch die Vorteile massiv aufgewogen, und obwohl ein Neutronenstreuexperiment mehrere Tage dauern kann, liefert es sehr oft den entscheidenden Beweis zum Verständnis eines bestimmten Systems.
Druck. Wenn man hydrostatischen Druck auf ein Material ausübt, werden die Atome enger zusammengedrückt. Dadurch wird die elektronische Umgebung direkt verändert, was wiederum die magnetischen Wechselwirkungen bestimmt. Druck ist eine sehr saubere Methode zur Beeinflussung von Austauschwechselwirkungen, da er keine Ionensubstitution oder Belastung beinhaltet. Es ist relativ einfach, ihn in theoretische Modelle einzubeziehen, die wiederum mit dem Experiment verglichen werden können.
Magnetfelder sind wie der Druck ein unschätzbarer Kontrollparameter, da sie theoretisch genau beschrieben sind und die Feldstärke genau eingestellt werden kann, um Systeme in situ zu steuern. Viele Phasenübergänge finden bei hohen Feldern statt, weshalb es wichtig ist, für Neutronenstreuexperimente Zugang zu hohen Magnetfeldern zu haben.
Theorie. Um ein besseres physikalisches Verständnis der klassischeren Systeme zu erlangen, führen wir Monte-Carlo-Simulationen und lineare Spin-Wellen-Theorie-Berechnungen für die klassischeren Systeme durch. Für anspruchsvollere numerische Methoden, die für stark frustrierte Systeme und Systeme, die von Quantenfluktuationen bestimmt werden, benötigt werden, arbeiten wir mit theoretischen Gruppen an der TUM und anderswo zusammen. Enge Verbindungen zu einer führenden theoretischen Gruppe, die an niedrigdimensionalen Quantenmagneten arbeitet, sorgen für einen nie ruhenden Ping-Pong-Ball zwischen Experiment und Theorie.