Universität zu Köln

Fröhlich, Tobias (2020). Structural aspects of systems with spin-orbit coupling. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the present work, a variety of compounds with spin-orbit coupling is investigated using elastic X-ray and neutron diffraction techniques. The multiferroic compound ammonium pentachloroaquaferrate(III) shows Dzyaloshinsky-Moriya interaction. This is a superexchange interaction which includes spin-orbit coupling so that magnetic and ferroelectric orders interact. A related caesium-based transition-metal halide is also investigated, which exhibits several anisotropic magnetic phases. Again, this anisotropy indicates strong spin-orbit coupling. Furthermore, this work deals with 6H-perovskite-type iridates, which are related to spin-liquid candidates. The physics behind such compounds is based on the Kitaev model, which applies when spin interactions are direction dependent due to spin-orbit coupling. In iridates of double-perovskite type, spin-orbit coupling leads to the formation of j = 1/2 moments, which give rise to rich physics. A further topic of this work is copper doped bismuth selenite, which is a topological superconductor. The superconductivity of this compound stems from the band structure of pristine bismuth selenite that exhibits a spin-textured Fermi surface due to spin-orbit coupling. Ammonium pentachloroaquaferrate(III) (ND4)2[FeCl5(D2O)] was investigated addressing a structural phase transition with a symmetry reduction that can be attributed to an ordering of the [ND4] molecules which are disordered at higher temperatures. Refinements in space group Pa yield values for the polarization that are not consistent with other measurements so that this breaking of symmetry could not be detected within the experimental precision. A structural phase transition of the erythrosiderite-type compound Cs2[FeCl5(H2O)], that lowers the symmetry to a monoclinic space group, was clarified. A reduction to a polar subgroup can be ruled out by pyroelectric measurements. The magnetic structure at low temperature exhibits Shubnikov group Cmcm'. The magnetic structure of the low-temperature zero-field phase of Cs3Fe2Br9 was determined. It breaks the P63/mmc symmetry according to the Gamma3 mode. The accompanied structural distortions are below the experimental precision. The phase at 50 mK in a magnetic field of 7 T was found to be qualitatively identical but yields weaker magnetic reflections. The compounds Ba3XIr2O9 with X = In, Nb, Ce turn out to exhibit space group C2/c already at room temperature in contrast to former findings. The structural deviations from P63/mmc symmetry mainly effect the O atoms and lead to tilts and distortions of [XO6] octahedrons and [Ir2O9] double-octahedrons. The occupation disorder on the X and Ir sites turns out to have a strong negative correlation with the difference of the radii of the X and Ir cations. The Ir-Ir distances depend on the radius of the X ion. Neither at room temperature nor at 100 K, the Fm-3m symmetry of the double-perovskite Ba2CeIrO6 is broken. Refinements indicate a shift of the Ba atoms without long-range order at both temperatures. The Ce sites are roughly fully occupied by Ce atoms and the Ir sites show occupation disorder. Also the F centering of space group Fm-3m is not broken for the compound Ba2PrIrO6. However, structural refinements indicate that tilts of the [(X/Ir)O6] octahedrons reduce its symmetry to space group I4/m. The Cu doping of the compound CuxBi2Se3 is not detectable by means of neutron diffraction. A substitution of Bi by Cu of up to x approx. 10 % cannot be ruled out. Several further proposed sites for the Cu atoms can be discarded by the results of the present work. There are hints for a small structural distortion to space group C2/c where the Bi atoms are slightly displaced. A magnetic signal was detected which however cannot be explained by free electrons or by nuclear magnetic moments. An impurity phase of this compound could be characterized as CuBi6Se9 with a layered crystal structure and monoclinic symmetry.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Verbindungen, bei denen Spin-Bahn-Kopplung eine Rolle spielt, mittels elastischer Röntgen- und Neutronenstreuverfahren untersucht. Die multiferroische Verbindung Ammonium-Pentachloraquaferrat(III) zeigt Dzyaloshinsky-Moriya-Wechselwirkung. Diese ist eine Superaustausch-Wechselwirkung mit Spin-Bahn-Kopplung, so dass sich magnetische und ferroelastische Ordnungen gegenseitig beeinflussen. Ein verwandtes cäsiumbasiertes Übergangsmetallhalogenid, das mehrere anisotrope magnetische Phasen aufweist, wurde untersucht. Auch diese Anisotropie deutet auf starke Spin-Bahn-Kopplung hin. Desweiteren behandelt diese Arbeit Iridate vom 6H-Perowskit-Typ, die verwandt mit Materialien sind, die als mögliche Spin-Flüssigkeiten diskutiert worden sind. Die Physik solcher Verbindungen basiert auf dem Kitaev-Modell, bei dem durch Spin-Bahn-Kopplung richtungsabhängige Spin-Wechselwirkungen auftreten. In Iridaten des Doppelperowskit-Typs bewirkt Spin-Bahn-Kopplung j = 1/2 -Momente, auf denen eine reichhaltige Physik beruht. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist kupferdotiertes Wismut-Selenit, ein topologischer Supraleiter. Die Supraleitung dieser Verbindung lässt sich auf die Bandstruktur des reinen Wismut-Selenits zurückführen, auf dessen Fermi-Fäche die Spin-Bahn-Kopplung eine Spinstrukturierung bewirkt. Die deuterierte Verbindung (ND4)2[FeCl5(D2O)] wurde im Hinblick auf eine strukturelle Phasenumwandlung untersucht, welche die Symmetrie durch Ordnung von [ND4]-Molekülen bricht, die bei höherer Temperatur ungeordnet sind. Verfeinerungen in Raumgruppe Pa liefern Werte für die Polarisierung, die nicht mit anderen Messungen übereinstimmen, so dass diese Symmetriebrechung innerhalb der experimentellen Genauigkeit nicht nachgewiesen werden konnte. Es wird festgestellt, dass eine strukturelle Phasenumwandlung in Cs2[FeCl5(H2O)] die Symmetrie hin zu einer monoklinen Raumgruppe verringert. Eine Symmetrieverringerung zu einer polaren Raumgruppe konnte durch pyroelektrische Messungen ausgeschlossen werden. Die Magnetstruktur bei tiefer Temperatur weist die Shubnikovgruppe Cmcm' auf. Die Magnetstruktur der Verbindung Cs3Fe2Br9 bei tiefer Temperatur im Nullfeld wurde ermittelt. Sie bricht die P63/mmc-Symmetrie gemäß der Gamma3-Mode. Die damit zusammenhängenden strukturellen Verzerrungen liegen unterhalb der experimentellen Genauigkeit. Es wurde festgestellt, dass die Phase bei 50 mK in einem Magnetfeld von 7 T qualitativ identisch ist, aber schwächere magnetische Reflexe aufweist. Für die Verbindungen Ba3XIr2O9 mit X = In, Nb, Ce wird die Raumgruppe C2/c bereits bei Raumtemperatur festgestellt, was im Widerspruch zu früheren Ergebnissen steht. Die strukturellen Abweichungen von der P63/mmc-Symmetrie betreffen hauptsächlich die O Atome und bewirken Verkippungen und Verzerrungen der [XO6]-Oktaeder und [Ir2O9]-Doppeloktaeder. Es stellt sich heraus, dass die Besetzungsunordnung der X- und Ir-Gitterplätze eine starke negative Korrelation mit der Differenz der Radien der X- und Ir-Kationen aufweist. Die Ir-Ir-Abstände hängen vom Radius des X-Ions ab. Die Fm-3m-Symmetrie des Doppelperowskits Ba2CeIrO6 wird weder bei Raumtemperatur, noch bei 100 K gebrochen. Verfeinerungen deuten für beide Temperaturen auf eine Verschiebung der Ba-Atome ohne langreichweitige Ordnung hin. Die Ce-Gitterplätze sind ungefähr voll besetzt und die Ir-Gitterplätze zeigen Besetzungsunordnung. Auch bei der Verbindung Ba2PrIrO6 wird die Flächenzentrierung der Raumgruppe Fm-3m nicht gebrochen. Jedoch weisen Strukturverfeinerungen auf Verkippungen der [(X/Ir)O6]-Oktaeder hin, die die Symmetrie hin zu Raumgruppe I4/m verringern. Die Cu-Dotierung der Verbindung CuxBi2Se3 ist mittels Neutronenbeugung nicht feststellbar. Eine Substitution von Bi durch Cu von bis zu x ungefähr 10 % kann nicht ausgeschlossen werden. Einige weitere Positionen, die für die Cu-Atome vorgeschlagen wurden, können durch die Ergebnisse dieser Arbeit verworfen werden. Es gibt Hinweise auf eine kleine strukturelle Verzerrung entsprechend der Raumgruppe C2/c, bei der die Bi-Atome leicht verschoben sind. Es konnte ein magnetisches Signal aufgezeichnet werden, dass sich jedoch weder durch freie Elektronen noch durch nukleare magnetische Momente erklären lässt. Eine Fremdphase dieser Verbindung konnte als CuBi6Se9 mit einer geschichteten Kristallstruktur und monokliner Symmetrie charakterisiert werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fröhlich, Tobias tobias.froehlich@rwth-aachen.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-251501
Date:	2020
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 X-ray diffraction English neutron diffraction English crystal structure English magnetic structure English multiferroics English topological superconductors English spin-liquid candidates English (NH4)2[FeCl5(H2O)] English Cs2[FeCl5(H2O)] English Cs3Fe2Br9 English Ba3InIr2O9 English Ba3NbIr2O9 English Ba3CeIr2O9 English Ba2CeIrO6 English Ba2PrIrO6 English CuxBi2Se3 English CuBi6Se9 UNSPECIFIED
Date of oral exam:	3 February 2020
Referee:	Name Academic Title Braden, Markus Prof. Dr. Lorenz, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/25150