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Forschung

Aktuell: Neuartige Hochtemperatursupraleiter: Eisenpniktide

Mögliche Symmetrien des Ordnungsparameters in Pniktid Supraleitern (negativ: rot, positiv: blau)

(Hirschfeld, et al., Rep. Prog. Phys. 74, 124508 (2011))

Sketch des anisotropen Ordnungsparameters in LiFeAs (ARPES Messung)

(Borisenko, et al., Symmetry 4, 251 (2012))

Obwohl das Phänomen der Supraleitung bereits im Jahre 1911 von Kammerlingh Onnes entdeckt wurde, wird noch heute experimentell und theoretisch daran geforscht. Dies mag daran liegen, dass Supraleitung in vielen verschiedenen Materialien zu finden ist und es noch nicht gelungen ist eine allgemeine Theorie für alle Systeme zu formulieren. Supraleitung ist durch das komplette Verdrängen von Magnetfeldern aus dem Inneren des Materials sowie der verlustlosen Leitung von elektrischem Strom charakterisiert und wird durch Bildung von Cooper Paaren realisiert. In konventionellen Supraleiter (mit kritischen Temperaturen unterhalb von 23 Kelvin) entsteht die anziehende Wechselwirkung zwischen den Elektronen durch das Wechselspiel mit Gitterschwingungen. Grundlegende physikalische Eigenschaften wurden vor einiger Zeit mit Hilfe der BCS Theory verstanden.

Abbildung: kritische Temperatur als Funktion des Jahres

Maximale kritische Temperaturen verschiedener Materialklassen als Funktion der Zeit

Die Fermioberfläche von KFe_2-ySe₂ besteht im Wesentlichen aus 2 Flächen, die um den X und Y Punkt zentriert sind (Farbcodierung: rot: d_xz Orbital grün: d_yz Orbital, blau: d_xy Orbital).

Modellsystem eines Mehrband Supraleiters mit anisotropem Ordnungsparameter und linerarisierter Dispersion.

(Wang, et al., Phys. Rev. B 87, 094504 (2013))

Bestehende Theorien versagten jedoch in der Vorhersage und Beschreibung von später entdeckten Supraleitern: 1986 fanden Bednorz und Müller Supraleitung in Kuprat-Materialien, die das Phänomen bei Temperaturen zeigen, die vorher theoretisch ausgeschlossen wurden. Bis heute wird der mikroskopische Mechanismus in den Kupraten noch heftig diskutiert: gleichzeitig können Kuprate heute technisch angewendet werden, da sie kritische Temperaturen über 100 Kelvin erreichen können. Im Jahre 2008 fanden Kamihara et al. Supraleituung in dotierten Eisenpniktiden, so dass nun eine weitere Materialklasse von Supraleitern mit Sprungtemperaturen bis zu 55 Kelvin bekannt ist. In den letzten Jahren wurde aktiv in diesem Bereich geforscht, da die Eisenpniktide ein komplexes Phasendiagramm mit dem Wechselspiel aus Supraleitung, Magnetismus und Kristallstruktur zeigen. Unter den vielen bekannten Materialien scheinen drei besonders interessant, da sie nicht in das Standardmuster passen: LiFeAs, KFe_2-ySe₂ und FeSe (unter Druck).
Hauptsächlich beschäftigen wir uns hier mit der Symmetrie des Ordnungsparameters und damit wie Materialparameter die Anregungslücke beeinflussen. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist die Spin-Fluktuations Theorie der Elektronenpaarung, bei der davon ausgegangen wird, dass die anziehende Wirkung zwischen den Elektronen von Quantenfluktuationen der Spins hervorgerufen wird.

Dissertation: Spinwellen Berechnungen in Heisenberg Magneten mit reduzierter Symmetrie

Selbstenergiekorrektur in 2. Ordnung der 3-Magnon Vertizes des Goldstone-Magnons

(Dissertation)

Der Quasiteilchenzerfall wird durch die kinematische Bedingung bestimmt: Stabile Quasiteilchen (links), instabile Quasiteilchen (rechts) bei Berücksichtigung der 3-Magnonen Wechselwirkung

(Dissertation)

Magnetismus ist ein Naturphänomen, das schon vor Jahrtausenden beschrieben und diskutiert wurde. Eine physikalische Erklärung ist jedoch erst auf der Basis der Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten Quantentheorie möglich. Schon vorher spielten magnetische Werkstoffe in technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Auch in jüngster Zeit finden sich immer neue Anwendungsmöglichkeiten für magnetische Materialien, zum Beispiel in der Informationstechnologie.

Kristallstruktur von YIG

(Dissertation)

Spinwellendispersion der niedrigsten Mode in einem YIG Film: Bose-Kondensate entstehen im Minimum und bei ganzzahligen Vielfachen des Quasiimpulses im Minimum.

(Dissertation)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich weder mit neuen Anwendungsgebieten von magnetischen Effekten, noch mit der gezielten Optimierung bekannter Einsatzgebiete. Vielmehr wollen wir mit Hilfe der Quantentheorie neue Erkenntnisse über physikalische Effekte gewinnen, die mit dem Phänomen des Magnetismus zusammenhängen. Dazu starten wir nacheinander mit drei verschiedenen mikroskopischen Modellen, die jeweils eine Klasse magnetischer Materialien beschreiben. Das sogenannte Heisenberg-Modell, das die Wechselwirkungen zwischen lokalisierten Spins beschreibt, ist der Ausgangspunkt für die drei Untersuchungen. Wir beschränken uns weiterhin auf geordnete Magnete, in denen eine langreichweitige magnetische Ordnung vorliegt, um die Methode der Spinwellentheorie anzuwenden. Im ersten Kapitel werden die Grundzüge der Spinwellentheorie sowie einige für die späteren Ausführungen wichtige Besonderheiten beschrieben. Die sogenannten Magnonen oder Spinwellen stellen in dieser Herangehensweise die elementaren Anregungen in geordneten Magneten dar.

Gemessenes Magnonenspektrum in YIG für Spinwellen mit Impuls parallel zum externen Feld

(Dissertation)

Im zweiten Kapitel wenden wir die Spinwellentheorie auf ein Modellsystem an, das einen Antiferromagneten in einem externen Magnetfeld beschreibt. Unter Verwendung einer sogenannten hermiteschen Parametrisierung werden physikalische Größen wie die Spinwellengeschwindigkeit sowie die Dämpfung der Spinwellen berechnet. Wir sind dabei insbesondere am Einfluss des Magnetfeldes interessiert, welches die Symmetrie des Systems reduziert und die magnetischen Anregungen wesentlich renormiert.

Klassischer Grundzustand eines frustrierten Antiferromagneten mit Anisotropie (Modell für Cäsiumkupferclorid)

(Dissertation)

Im zweiten Modellsystem, welches zur Beschreibung dünner Filme von Ferromagneten geeignet ist, werden Konzepte der klassischen Magnetostatik mit denen der Quantenphysik vereinigt: Wir betrachten zusätzlich die Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen den mikroskopischen magnetischen Momenten. Diese Wechselwirkung ist als magnetische Kraft zwischen zwei Magneten auch aus unserem Alltag bekannt. Unter Verwendung der Spinwellentheorie berechnen wir die Energie-Impuls-Beziehung, die sogenannte Dispersion, der magnetischen Anregungen in dünnen Filmen eines experimentell untersuchten Ferromagneten. Dieser theoretische Ansatz ist schließlich der Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen im Hinblick auf starke Korrelationen und Kondensationsphänomene von Magnonen. Das physikalische Verständnis der Vorgänge in dünnen ferromagnetischen Filmen ist auch von technologischem Interesse, da kürzlich Bauteile zur Datenverarbeitung auf der Basis von Spinwellen realisiert wurden.

Schallgeschwindigkeit und Dämpfung in Cäsiumkupferclorid bei tiefen Temperaturen als Funktion des angelegten Magnetfelds.

(Dissertation)

Messung der Schallgeschwindigkeit und Dämpfung in einem Kristall mittels der Pulse-Echo Technik

(Disputation)

Das dritte Modellsystem enthält schließlich zusätzlich die sogenannte magnetische Frustration. In diesem Fall sind die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Spins derart, dass nicht alle Wechselwirkungsenergien gleichzeitig durch Ausrichtung der Spins minimiert werden können und starke Quantenfluktuationen auftreten. Ein Beispiel dafür ist der Antiferromagnet auf dem Dreiecksgitter, den wir in der vorliegenden Arbeit behandeln. Wir reduzieren die Symmetrie weiter durch Hinzunahme von Anisotropien, um mit unseren Ergebnissen auch an experimentelle Untersuchungen anknüpfen zu können. Der Schwerpunkt liegt jedoch nicht auf Einsichten in die magnetischen Anregungen, sondern auf dem Verständnis der Änderung der Gitterschwingungen in Anwesenheit der magnetischen Wechselwirkungen. Wir berechnen schließlich die Verschiebung der Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung des Schalls als Funktion des angelegten Magnetfeldes und vergleichen die Ergebnisse mit experimentellen Daten aus Ultraschallmessungen.

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Diplomarbeitsthema: Spin-Wellen-Wechselwirkungen in Quantenantiferromagneten

Spinwelle in einem Ferromagneten

(Diplomarbeit)

Gestaffelter Strukturfaktor im Antiferromagneten für beliebige Dimensionen

(Diplomarbeit)

Magnetische Materialien sind schon seit dem Altertum bekannt als die Griechen magnetische Eigenschaften des Eisenerzes beschrieben haben. Diese sogenannten Ferromagneten tauchen auch heute noch in unserer Alltagswelt, zum Beispiel in elektrischen Geräten, auf. Die magnetischen Momente der beteiligten Atome im Ferromagneten haben eine parallele Ausrichtung, so dass sich nach außen eine makroskopische Magnetisierung bemerkbar macht.

Ordnungsparameter bei spontanter Symmetriebrechung in Hermitescher Parametrisierung

(Diplomarbeit)

Diagrammatische Darstellung der Selbstenergiekorrekturen in Hermitescher Parametrisierung

(Diplomarbeit)

Im Antiferromagneten sind die elementaren magnetischen Momente dagegen antiparallel ausgerichtet, so dass das gesamte magnetische Moment verschwindet und man keine direkten magnetischen Kräfte bemerkt. Dennoch haben diese Materialien Eigenschaften, die auf den zugrundeliegenden Magnetismus zurückzuführen sind und die ich in meiner Diplomarbeit beschreibe.
Inhalt
Inhalt als Postscript
Diplomarbeit
Diplomarbeit als Postscript

Forschungsaufenthalte

09/2008-10/2008, 10/2009-11/2009 International Center for Condensed Matter Physics - ICCMP an der Universidade de Brasília in Brasília, Brasilien.

09/2010-10/2010, 12/2011 International Institute of Physics - IIP an der Universidade Federal do Rio Grande do Norte in Natal, Brasilien.

11/2014 Kavli Institute for Theoretical Physics KITP an der University of California Santa Barbara, CA, USA.