Universität zu Köln

Brüning, Daniel ORCID: 0000-0001-5830-2683 (2020). Thermodynamics and transport properties of the ferromagnetic metal SrRuO3 and the frustrated magnet Cs3Fe2Br9. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In this thesis, the ferromagnetic metal SrRuO3 and the frustrated antiferromagnet Cs3Fe2Br9 are investigated. New high-quality single crystals of SrRuO3 grown with the floating-zone technique are used to study the critical phenomena at the ferromagnetic phase transition. A shape-memory effect is found below TC, which makes the material ferroelastic and thus multiferroic. Spin-orbit coupling yields spin-split bands and a Weyl point close to the Fermi energy acts as a magnetic monopole in momentum space, which causes an intrinsic anomalous Hall effect. Furthermore, the anomalous softening of the magnon gap and the stiffness can be described with the Hall conductivity, which makes the explanation via the Berry-curvature contribution conclusive. The new material Cs3Fe2Br9 consists of face-sharing Fe2Br9 bi-octahedra that are arranged in triangular layers stacked to form a hexagonal structure and orders antiferromagnetically. In contrast to isostructural classical spin systems that form a singlet ground state, the two S = 5/2 moments in each bi-octahedron are oriented parallel along c. The in-plane nearest-neighbor interaction overcompensates the antiferromagnetic dimer coupling. The antiferromagnetic ground state is substantially frustrated. For a magnetic field along the easy-axis, an extremely rich phase diagram with ten phases is found. Two phases host a fractional magnetization and one phase shows a ferroelectric polarization. The results are compared to analytical and numerical predictions for triangular and hexagonal lattices and related materials

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Arbeit werden das ferromagnetische Metall SrRuO3 und der frustrierte Antiferromagnet Cs3Fe2Br9 untersucht. Neue hochreine SrRuO3 Kristalle die mit der Schmelzzonentechnik gezüchtet wurden, werden genutzt um das kritische Verhalten am ferromagnetischen Phasenübergang zu untersuchen. Ein shape-memory Effekt wurde unterhalb von TC nachgewiesen, womit das Material ferroelastisch und somit auch multiferroisch ist. Die Spin-Bahn Wechselwirkung sorgt für spin-aufgespaltene Bänder und ein Weyl-Punkt nahe der Fermienergie wirkt als magnetischer Monopol im Impulsraum und ruft einen intrinsischen anomalen Hall-Effekt hervor. Darüber hinaus kann das anomale Temperaturverhalten der Magnonen Anregungslücke und derer Steifigkeit mittels der Hall Leitfähigkeit beschrieben werden. Dies führt zu einer schlüssigen Erklärung über die Berry-Krümmung. Das neue Material Cs3Fe2Br9 besteht aus flächenverknüpften Bioktaedern, die in Dreiecksebenen angeordnet sind und zu einer hexagonalen Struktur gestapelt sind. Das Material ordnet antiferromagnetisch. Im Gegensatz zu isostrukturellen klassischen Spinsystemen die einen Singlet Grundzustand zeigen, sind die S=5/2 Momente in jedem Bioktaeder parallel entlang der c Richtung geordnet. Die Nächste-Nachbar Wechselwirkung innerhalb der Ebene überwiegt die antiferromagnetische Dimerkopplung. Der Grundzustand ist magnetisch frustriert. Für ein Magnetfeld entlang der easy-axis findet man ein sehr reichhaltiges Phasendiagramm mit insgesamt zehn geordneten Phasen. Zwei Phasen zeigen eine fraktionelle Magnetisierung und eine Phase ist ferroelektrisch. Die Ergebnisse werden mit analytischen und numerischen Vorhersagen für ähnliche Gitter und für ähnliche Materialien verglichen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Brüning, Daniel daniel_bruening@yahoo.de orcid.org/0000-0001-5830-2683 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-115374
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 anomalous Hall effect English SrRuO3 English shape-memory effect English transport English Berry curvature English Cs3Fe2Br9 English triangular magnet English dimer English magnetic frustration English fractional magnetization English magnetic monopole in momentum space English
Date of oral exam:	26 June 2020
Referee:	Name Academic Title Lorenz, Thomas Prof. Dr. Braden, Markus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11537