Universität zu Köln

Neutron Scattering Studies on Magnetic Excitations in Complex Ordered Manganites

Senff, Daniel (2007) Neutron Scattering Studies on Magnetic Excitations in Complex Ordered Manganites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit umfasst die Untersuchung des magnetischen Anregungsspektrums dreier unterschiedlicher Manganoxide mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Eigenschaften von LaSrMnO(4) sind bestimmt durch das für Manganate typische komplexe Wechselspiel zwischen orbitalen und Ladungsfreiheitsgraden mit dem Gitter, und der Grundzustand von LaSrMnO(4) weist einige äußerst ungewöhnliche Eigenschaften auf. Die Analyse des magnetischen Anregungsspektrums legt einen inhomogenen Grundzustand nahe, in dem ferromagnetische orbitale Cluster oder Polaronen in einen antiferromagnetisch geordneten Hintergrund eingebettet sind. Das dotierte System La(0.5)Sr(1.5)MnO(4) zeichnet sich durch eine sehr stabile ladungsgeordnete Phase aus, die zur Zeit in der Literatur kontrovers diskutiert wird. Auf Grundlage der beobachteten Spinwellendispersion finden wir eine exzellente Übereinstimmung mit einem klassischen Ansatz zur Beschreibung des geordneten Zustandes, während ein alternativer Zugang eindeutig ausgeschlossen werden kann. Der starke Unterschied zwischen ferro- und antiferromagnetischen Austauschenergien führt zu dem Schluss, dass der geordnete Zustand als eine schwache AFM-Kopplung stabiler FM-Ketten zu interpretieren ist. Diese Folgerung wird weiterhin belegt durch die thermische Entwicklung des geordneten Zustandes, der oberhalb des Néel-Übergangs mit einer ferromagnetischen Phase konkurriert, und durch die Dotierungsabhängigkeit, die ein stark unterschiedliches Verhalten im Bezug auf zusätzliche Elektronen oder Löcher aufweist. Im Perowskit TbMnO(3) ist das Auftreten einer spontanen elektrischen Polarisation eng an eine komplexe magnetische Struktur gekoppelt. Durch eine genaue Analyse der verschiedenen magnetischen Anregungen können die mit dem ferroelektrischen Übergang korrelierten magnetischen Anregungen identifiziert werden, die auf Grund der starken magnetoelektrischen Kopplung als eine neue Art kollektiver Anregungen -- stark gemischte Magnon-Phonon-Anregungen -- zu interpretieren sind. Die detaillierte Untersuchung der Impuls-, Temperatur- und Feldabhängigkeit dieser Anregungen ist in Übereinstimmung mit verschiedenen Vorhersagen aktueller Theorien zur Erklärung der ungewöhnlich starken magnetoelektrischen Kopplung in der Familie multiferroischer Oxide.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    This thesis deals with magnetic excitations in three different Manganese oxides, single-layered LaSrMnO(4), charge- and orbital-ordered La(0.5)Sr(1.5)MnO(4), and multiferroic TbMnO(3), which are studied by means of inelastic neutron scattering. The properties of the first system, LaSrMnO(4), are governed by the complex interplay of orbital, spin, and lattice degrees of freedom typical for the physics of manganites. The magnetic low-temperature behavior is quite unusual, and the comprehensive analysis of the spin-wave spectrum of LaSrMnO(4) suggests a heterogenous ground state with ferromagnetic orbital polarons embedded in an antiferromagnetic background. The doped system La(0.5)Sr(1.5)MnO(4) exhibits a stable charge- and orbital-ordered state, which today is discussed very controversially, as it is of great relevance for the colossal increase of electric conductivity at the metal-insulator transition in perovskite manganites. Analyzing the spin-wave dispersion of the ordered state, we find an excellent agreement with classical predictions by Goodenough and reject a recent alternative proposal. The different strength of the ferromagnetic and antiferromagnetic exchange in the CE-type ordering leads to the conclusion that the magnetic state has to be considered as a weak AFM coupling of stable FM elements. This thesis is further supported by the thermal evolution of the ordered state, revealing anisotropic correlations and the close competition of FM and AFM correlations above the Néel transition, as well as by the doping dependence of the charge- and orbital-ordered state, which is interpreted on the basis of a different response of the magnetic system with respect to additional electrons or holes. In the orthorhombic perovskite TbMnO(3) the electric polarization is closely coupled to the magnetic degrees of freedom via a complex, non-collinear magnetic ordering. Precisely characterizing the different magnon excitations allows to identify all relevant modes of the ferroelectric phase, which for systems with strong electromagnetic coupling were predicted to contain a new type of collective excitations -- strongly hybridized phonon-magnon vibrations -- which have not been observed experimentally before. The temperature and momentum dependence, as well as the response of the different modes to an external magnetic field, is reported in detail, and the results strengthen recent theoretical concepts explaining the strong magnetoelectric coupling in the fascinating class of multiferroic oxides.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Senff, Danielsenff@gmx.net
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-22772
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Manganat, Neutronenstreuung, Spinwelle, Ladungsordnung, multiferroischGerman
    manganite, neutron scattering, spin wave, charge ordering, multiferroicEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
    Language: German
    Date: 2007
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 28 October 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 17 Mar 2008 11:54:49
    Referee
    NameAcademic Title
    Braden, M.Prof. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2277

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