Stripes and cycloids: Komplexe Ordnungsphänomene in Übergangsmetalloxiden

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit resonanter Streuung im weichen Röntgenenergiebereich (RSXS) zur Untersuchung komplexer Ordnungsphänomene in oxidischen Materialien. Die Methode adressiert die Elektronen, die für die interessanten physikalischen Eigenschaften dieser Systeme maßgeblich verantwortlich sind. Die 3d- und 4f-Elektronen spielen dabei eine entscheidende Rolle und ihre Strukturen können mit RSXS sehr empfindlich elementspezifisch untersucht werden. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren physikalische Eigenschaften eine Vielzahl technologischer Einsatzmöglichkeiten versprechen. Eines dieser Systeme sind die Seltenerdmanganate der Form REMnO3, wobei RE für die Seltenerden steht. In diesen multiferroischen Materialien kann sich bei tiefen Temperaturen eine ferroelektrische Polarisation bilden, die mit einer zykloidalen Modulation der Mn-3d-Momente verbunden ist. Die hier durchgeführte Studie an DyMnO3 zeigt, dass die Dy-4f-Momente ebenfalls einer zykloidalen Ordnung folgen. Dies bietet eine Erklärung für die bisher beobachteten Anomalien in der ferroelektrischen Polarisation als Funktion der Temperatur. In GdMnO3 ist die Situation anders. Starke zirkular dichroische Effekte in RSXS konnten erstmals die bisherigen Vermutungen bestätigen, dass auch in GdMnO3 eine Zykloide der Mn-3d-Momente existiert, die als alleinige Ursache der ferroelektrischen Polarisation angenommen werden muss. In den REMnO3 konnten Manipulationsexperimente ferroischer Domänen durch den Synchrotronstrahl durchgeführt werden, sie sind ein anschauliches Beispiel für das enorme Potential multiferroischer Systeme. Ein anderes komplexes Ordnungsphänomen, welches hier untersucht wurde, sind die Ladungs- und Spinstreifenordnungen einiger Hoch-TC (HTC)-Supraleiter. In den Kupraten La1.8-xEu0.2SrxCuO4 (LESCO) und La2-xBaxCuO4 (LBCO) lässt sich bei einer Ladungsträgerdotierung von x = 1/8 ein Absinken der Sprungtemperaturen der Supraleitung beobachten, das mit der Bildung einer Streifenordnung koinzidiert. Die hohe Sensitivität resonanter Röntgenstreuung auf kleinste Ladungsmodulationen zeigt sich bei den Untersuchungen an LESCO Kupraten. Hier konnten erstmalig Überstrukturreflexe der Ladungsstreifenordnung bis zu einer Temperatur von 80 K nachgewiesen und im Zusammenhang mit einem strukturellen Phasenübergang untersucht werden. Die durch diese Untersuchungen möglich gewordene Erweiterung der Phasendiagramme von LBCO und LESCO verdeutlicht, dass LESCO eines der ersten HTC-Kuprate ist, in dem die Ladungsstreifenordnung nicht durch die strukturelle Phase begrenzt wird. Dieses Ergebnis hat bereits zu zahlreichen Diskussionen innerhalb der HTC-Wissenschaftsgemeinschaft geführt, insbesondere über den Zusammenhang mit der Spinordnung. Für die Experimente wurde im Rahmen der Arbeit ein neues UHV- Diffraktometer entwickelt und aufgebaut, welches sich besonders durch seine Flexibilität und Stabilität für den Einsatz an einer Synchrotronstrahlungsquelle wie BESSYII in Berlin auszeichnet.

The present work describes resonant soft X-Ray scattering (RSXS) as a probe to investigate complex ordering phenomena in oxide materials. RSXS allows to probe in an elementspecific way the 3d- and 4f-valence electrons that are responsible for the interesting physical characteristics of these materials. Two different material systems with promising possible technological application were studied. One of these systems is the rare-earth manganites (REMnO3). These multiferroic materials exhibit ferroelectric polarisation at low temperatures induced by cycloidal magnetic order of the Mn-3d-moments. It is clear from the present results on DyMnO3 that the 4f ordering itself is of cycloidal character, which offers an explanation for the anomalies in the ferroelectric polarisation as a function of temperature in this material. In GdMnO3 the situation is different. Strong circular dichroic effects in RSXS confirm for the first time that ferroelectricity in GdMnO3 follows also from a cycloidal modulation of the Mn-3d-moments, as previously anticipated. In REMnO3, ferroic domains could be manipulated by the synchrotron x-ray beam, which is an illustrative example for the potential of multiferroic systems. Another complex ordering phenomenon studied in this work is charge stripe formation in High-TC (HTC)-superconductors. The critical temperature of the superconducting state decreases substantially in the cuprates La1.8-xEu0.2SrxCuO4 (LESCO) and La2-xBaxCuO4 (LBCO) at a doping concentration of x = 1/8. This coincides with the formation of the stripe phase. The very high sensitivity of resonant soft X-Ray diffraction to small charge modulations offered for the first time the possibility to determine the transition temperature of the charge order in LESCO (up to 80 K), particularly in relation to the structural phase transition. With these results it was possible to extend the phase diagrams of both cuprates, demonstrating that LESCO is the first HTC-cuprate were the charge order is not limited by the structural phase transition. This result already triggered substantial discussion in the HTC scientific community, especially in connection with reported spin ordering temperatures. For the present experiments, a new UHV diffractometer was developed and built, offering the flexibility and stability required for an instrument at a synchrotron radiation source, such as BESSY II in Berlin.