Universität zu Köln

Schlappa, Justina (2006). Investigation of electronic order using resonant soft x-ray diffraction. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The study of ordering of electronic degrees of freedom: charge, orbital and magnetic order, is important for the understanding of many of the often spectacular properties of transition-metal oxides (TMO), including high-temperature superconductivity and metal-to-insulator transitions. While magnetic structure of a bulk systems can be investigated directly using neutron diffraction, an appropriate technique for the study of orbital and charge order was lacking for a long time. Neutrons are not sensitive to charge and therefore cannot detect charge or orbital order directly; they can only pick-up lattice distortions that such an order might induce on the crystal lattice. The suitable technique has to be directly charge sensitive, but beyond this in particular sensitive to the outer-shell electrons, since exactly these determine the electronic properties of a solid. The conventional x-ray diffraction technique rules therefore out, since the main intensity in the detected signal comes here from the inner-shell electrons. Resonant soft x-ray diffraction is the appropriate technique to investigate electronic order in transition metal oxides [1]. Since soft x-rays have energies in the range 200 - 2000~eV, the photon energy can be tuned such, that the diffraction process will involve one of the following virtual excitations: oxygen 1s -> 2p (K-edge), transition metal 2p -> 3d (L2,3-edge) and lanthanide 3d ->4p (M4,5-edge). It is known from x-ray absorption (XAS) data that variation of the photon scattering cross section across the TM L2,3- edge is extremely sensitive to the electronic state of TMO [2]. Whereas XAS delivers only average information about the electronic state of the system, resonant soft x-ray diffraction is structure-selective, so that only the coherent signal belonging to a long-range order with a certain periodicity is detected. This allows for spectroscopically-resolved structure study or, using an appropriate microscopic model, for structurally-resolved spectroscopy study. Resonant soft x-ray diffraction has therefore a high potential for investigation of mixed-valent transition-metal oxide systems, where an electronic phase-separation is expected. In the last years the electronic order of a few TMO-systems has been investigated applying the resonant soft x-ray diffraction technique [3-16]. Nevertheless, a full spectral analysis of the data in terms of a realistic microscopic theory - as it is state of the art in the closely related x-ray absorption spectroscopy (XAS) - is very rare, showing that the technique is still in its infant state. Up to now most of the studies use a qualitative analysis of the spectral shape for the interpretation of their data. The aim of this PhD work was the application of resonant soft x-ray diffraction technique for the investigation of electronic order in transition metal oxides at the TM L2,3-edge, trying to obtain a quantitative understanding of the data. The method was first systematically explored through application to a model system in order to test the feasibility of the technique and to understand of how x-ray optical effects have to be taken into account. Two more complex systems were investigated; stripe order in La1.8Sr0.2NiO4 and charge and orbital order in Fe3O4. The main focus of the work was on the spectroscopic potential of the technique, trying to obtain a level of quantitative description of the data. For x-ray absorption spectroscopy (XAS) from transition metal oxides, cluster configuration interaction calculation provides a powerful and realistic microscopic theory. In the frame work of this thesis cluster theory, considering explicit hybridization effects between the TM-ion and the surrounding oxygen ligands, has been applied for the first time to describe resonant diffraction data; previous publications confined themselves to a pure ionic picture [1, 5, 6]. [1] C. M. W. Castleton and M. Altarelli, Phys. Rev. B 62, 1033 (2000). [2] F. M. F. de Groot, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 67, 529 (1994). [3] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. Lett. 90, 187201 (2003). [4] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. Lett. 91, 167205 (2003). [5] S. S. Dhesi, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 056403 (2004). [6] K. J. Thomas, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 237204 (2004). [7] U. Staub, et al., Phys. Rev. B 71, 214421 (2005). [8] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. B 71, 245102 (2005). [9] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. B 74, 049902 (2006). [10] P. Abbamonte, et al., Nature 431, 1078 (2004). [11] P. Abbamonte, et al., Nature Physics 1, 155 (2005). [12] A. Rusydi, et al., Phys. Rev. Lett. 97, 016403 (2006). [13] C. Schuessler-Langeheine, et al., Phys. Rev. Lett. 95, 156402 (2005). [14] V. Scagnoli, et al., Phys. Rev. B 73, 100409 (2006). [15] I. Zegkinoglou, et al., Phys Rev. Lett. 95, 136401 (2005). [16] D. J. Huang, et al., Phys. Rev. Lett. 96, 096401 (2006).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Untersuchung von elektronischer Ordnung mittels resonanter weicher Roentgenbeugung German
Translated abstract:	Abstract Language Die hochkorrelierten Elektronensysteme sind bekannt fuer ihre oft ungewoehnlichen Eigenschaften, wie Metall-Isolator Uebergaenge und Hochtemperatursupraleitung. Insbesondere die gemischt-valenten Systeme unter ihnen zeigen eine Reihe von Ordnungsphaenomenen, bekannt als Ordnung elektronischer Freiheitsgrade: Ladungsordnung, orbitale Ordnung und magnetische Ordnung. Waehrend die magnetische Struktur eines Systems mittels Neutronenbeugung untersucht werden kann, fehlte es lange Zeit an einer geeigneten Beugungsmethode, die direkt auf Ladungs- bzw. orbitale Ordnung empfindlich waere. Da Neutronen nicht mit der Ladung wechselwirken, kann Ladungs- bzw. orbitale Ordnung mittels Neutronendiffraktion hoechstens indirekt nachgewiesen werden. Auch die konventionelle Roentgenbeugung im harten Roentgenbereich (Energien im Bereich von 10 keV) scheidet hier aus, da das Signal einen zu niedrigen Kontrast fuer die aeusseren Elektronenschalen liefert. Es sind aber gerade die Valenzelektronen, die die elektronischen Eigenschaften von Festkoerpern bestimmen und die an der Ausbildung von elektronischer Ordnung beteiligt sind; in Uebergangsmetalloxiden (UEMO) sind es die 3d-Elektronen des Uebergangsmetalls (UEM). Die geeignete Technik um elektronische Ueberstrukturen in UEMO-Systemen zu untersuchen liefert deshalb resonante weiche Roentgenbeugung an der UEM L2,3-Kante [1]. Weiche Roentgenstrahlen haben Energien im Bereich von 200 - 2000 eV, wo folgende elektronische Uebergaenge stattfinden: O 1s -> 2p (K-Kante), UEM 2p -> 3d (L2,3-Kante) und Lanthanid 3d -> 4f (M4,5-Kante). Aus der Roentgen-Absorptionsspektroskopie (XAS) weiss man, dass die Aenderung des Wirkungsquerschnitts der Photonen an der UeM L2,3-Kante sehr empfindlich auf den elektronischen Zustand des UEMO-Systems ist [2]. Waehrend jedoch XAS nur die gemittelte Information ueber den elektronischen Zustand des gesamten Systems liefert, ist resonante weiche Roentgenbeugung Strukturselektiv, da hier ausschliesslich das kohaerente Signal einer langreichweitigen Ordnung mit einer ganz bestimmten Periodizitaet gemessen wird. Das erlaubt spektroskopisch-aufgeloeste Strukturuntersuchungen, bzw. strukturell-aufgeloeste Spektroskopiemessungen. In den letzten Jahren wurden bereits einige der UEMO-Systeme mittels resonanter weicher Roentgenbeugung untersucht [3-16]. Die meisten Interpretationen der Daten beschraenkten sich jedoch auf eine qualitative Analyse. Vollstaendige Spektralanalyse mittels einer realistischen mikroskopischen Theorie (in XAS ein Standard) stellt hier noch eine Ausnahme dar, was beweist dass sich die Methode immer noch in ihren Kinderschuhen befindet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die resonante weiche Roentgenbeugung zur Untersuchung von elektronischer Ordnung in UEMO-Systemen an der UEM L2,3-Kante benutzt. Ein Schwerpunkt in der Analyse lag auf einem quantitativen Verstaendniss der experimentellen Ergebnisse. Die Technik wurde zuerst an einem Modellsystem untersucht, um sie unter anderem auf ihre Durchfuehrbarkeit und Empfindlichkeit zu testen. Insbesondere wurde hier der Einfluss von optischen Effekten im weichen Roentgenbereich systematisch untersucht. Experimente an komplexeren Systemen folgten: Untersuchung der Streifenphase in La1.8Sr0.2NiO4 und der Ladungs- und orbitalen Ordnung in Fe3O4. Die elektronische Ordnung in diesen Systemen konnte erfolgreich nachgewiesen werden. [1] C. M. W. Castleton and M. Altarelli, Phys. Rev. B 62, 1033 (2000). [2] F. M. F. de Groot, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 67, 529 (1994). [3] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. Lett. 90, 187201 (2003). [4] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. Lett. 91, 167205 (2003). [5] S. S. Dhesi, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 056403 (2004). [6] K. J. Thomas, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 237204 (2004). [7] U. Staub, et al., Phys. Rev. B 71, 214421 (2005). [8] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. B 71, 245102 (2005). [9] S. B. Wilkins, et al., Phys. Rev. B 74, 049902 (2006). [10] P. Abbamonte, et al., Nature 431, 1078 (2004). [11] P. Abbamonte, et al., Nature Physics 1, 155 (2005). [12] A. Rusydi, et al., Phys. Rev. Lett. 97, 016403 (2006). [13] C. Schuessler-Langeheine, et al., Phys. Rev. Lett. 95, 156402 (2005). [14] V. Scagnoli, et al., Phys. Rev. B 73, 100409 (2006). [15] I. Zegkinoglou, et al., Phys Rev. Lett. 95, 136401 (2005). [16] D. J. Huang, et al., Phys. Rev. Lett. 96, 096401 (2006). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schlappa, Justina schlappa@ph2.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-19028
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Ladungsordnung, orbitale Ordnung, Streifenphasen, resonante Beugung, weiche Roentgenbeugung German charge order, orbital order, stripe phase, resonant diffraction, soft x-rays English
Date of oral exam:	30 November 2006
Referee:	Name Academic Title Tjeng, Liu Hao Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1902