Ungewöhnliche Grundzustände in Thiospinellen : Magnetokapazitiver Effekt in CdCr2S4 und HgCr2S4, Orbitaler Glaszustand in FeCr2S4

Unusual Ground States in Sulphur Spinels

  • Spinelle bilden eine Materialklasse mit äußerst vielfältigen Eigenschaften. Der vermutlich bekannteste Vertreter dieser Kristallstruktur ist der 140karätige "Black Prince's Ruby" – ein fast hühnereigroßer Edelstein, der in die britische Königskrone eingearbeitet ist und lange Zeit irrtümlicherweise für einen Rubin gehalten wurde. Die technische Anwendung der Spinelle reicht von der Farbenherstellung über Festkörperlaser bis zu magnetischen Speichermedien. Aus wissenschaftlicher Sicht bieten sie eine äußerst reichhaltige Physik: von Supraleitung über metallische Leitfähigkeit bis zu isolierendem Verhalten bei mitunter komplexen magnetischen Eigenschaften. Diese Arbeit widmet sich ungewöhnlichen Grundzuständen, die in verschiedenen Thiospinellsystemen gefunden wurden: CdCr2S4 und HgCr2S4 zeigen außerordentlich stark miteinander gekoppelte magnetische und elektrische Ordnungsphänomene und FeCr2S4 geht bei tiefen Temperaturen in den völlig neu entdeckten Zustand eines "orbitalen Glases"Spinelle bilden eine Materialklasse mit äußerst vielfältigen Eigenschaften. Der vermutlich bekannteste Vertreter dieser Kristallstruktur ist der 140karätige "Black Prince's Ruby" – ein fast hühnereigroßer Edelstein, der in die britische Königskrone eingearbeitet ist und lange Zeit irrtümlicherweise für einen Rubin gehalten wurde. Die technische Anwendung der Spinelle reicht von der Farbenherstellung über Festkörperlaser bis zu magnetischen Speichermedien. Aus wissenschaftlicher Sicht bieten sie eine äußerst reichhaltige Physik: von Supraleitung über metallische Leitfähigkeit bis zu isolierendem Verhalten bei mitunter komplexen magnetischen Eigenschaften. Diese Arbeit widmet sich ungewöhnlichen Grundzuständen, die in verschiedenen Thiospinellsystemen gefunden wurden: CdCr2S4 und HgCr2S4 zeigen außerordentlich stark miteinander gekoppelte magnetische und elektrische Ordnungsphänomene und FeCr2S4 geht bei tiefen Temperaturen in den völlig neu entdeckten Zustand eines "orbitalen Glases" über. Elektronenorbitale spielen bei den beobachteten Phänomenen eine zentrale Rolle, da sie nicht nur magnetische Wechselwirkungen vermitteln und über Ferroelektrizität bestimmen können (-> "Multiferroika"), sondern auch für strukturelle Jahn-Teller-Verzerrungen verantwortlich sind (-> orbitale Ordnung). Die Ergebnisse von Polarisationsmessungen und dielektrischer Spektroskopie an ein- und polykristallinem Material werden hier vorgestellt und diskutiert. CdCr2S4 und HgCr2S4 zeigen multiferroisches Verhalten mit (anti-)ferromagnetischer Ordnung in einem gleichzeitig relaxor-ferroelektrischen Zustand. Die ungewöhnlich starke Kopplung zwischen den verschiedenen Ordnungen führt bei relativ hohen Temperaturen zu einer kolossalen Magnetokapazität (CMC), die die dielektrische Konstante im Magnetfeld um bis zu 500% bzw. 3000% anwachsen lässt. In HgCr2S4 werden darüber hinaus kolossale Magnetwiderstandseffekte (CMR) beobachtet, die eine Variation des spezifischen DC-Widerstands durch Magnetfelder um mehr als sechs Zehnerpotenzen erlauben. Im Gegensatz zu den beschriebenen Ordnungsphänomenen in CdCr2S4 und HgCr2S4 liegt die Ungewöhnlichkeit in FeCr2S4 gerade in dem Befund eines ungeordneten Grundzustands, obwohl für dieses System bei tiefen Temperaturen ein Übergang in einen orbital geordneten Zustand erwartet wird. In dieser Arbeit wird der erstmalige Nachweis eines glasartigen Einfrierens orbitaler Freiheitsgrade dargestellt. Die kontinuierliche Verlangsamung der orbitalen "Reorientierungsbewegung" kann mittels dielektrischer Spektroskopie über mehrere Größenordnungen hinweg bis in den Millisekundenbereich beobachtet werden.show moreshow less
  • Spinels form a class of materials with very versatile properties. Probably most prominent among them is the so-called "Black Prince's Ruby" – a 140-carat gemstone in the royal British crown almost of the size of a chicken egg, which was mistaken for a ruby for a long time. The spinels’ technical application ranges from paint production and solid-state lasers to magnetic storage devices. From a scientific point of view they offer very rich physics including superconduction, metallic conductivity, and insulating behaviour at partly rather complex magnetic properties. This work is about unusual ground states that were found in various sulphur spinel systems: CdCr2S4 and HgCr2S4 show magnetic and electric order phenomena that are coupled with each other in an exceptionally strong way and FeCr2S4 exhibits a transition into the newly-discovered state of an "orbital glass" at low temperatures. Electronic orbitals play an important role in the observed phenomena since they can communicateSpinels form a class of materials with very versatile properties. Probably most prominent among them is the so-called "Black Prince's Ruby" – a 140-carat gemstone in the royal British crown almost of the size of a chicken egg, which was mistaken for a ruby for a long time. The spinels’ technical application ranges from paint production and solid-state lasers to magnetic storage devices. From a scientific point of view they offer very rich physics including superconduction, metallic conductivity, and insulating behaviour at partly rather complex magnetic properties. This work is about unusual ground states that were found in various sulphur spinel systems: CdCr2S4 and HgCr2S4 show magnetic and electric order phenomena that are coupled with each other in an exceptionally strong way and FeCr2S4 exhibits a transition into the newly-discovered state of an "orbital glass" at low temperatures. Electronic orbitals play an important role in the observed phenomena since they can communicate magnetic exchange interactions and determine ferroelectricity (-> "multiferroics") but also are responsible for structural Jahn-Teller distortions (-> orbital order). The results of polarization measurements and dielectric spectroscopy in single- and polycrystalline material are presented and discussed in this work. CdCr2S4 and HgCr2S4 show multiferroic behaviour with (anti-)ferromagnetic order in a relaxor ferroelectric state. The unusually strong coupling between the different kinds of order at relatively high temperatures brings forth colossal magnetocapacitance (CMC), which leads to a variation of the dielectric constant in a magnetic field of up to 500% or 3000%, respectively. Moreover, in HgCr2S4 colossal magnetoresistance (CMR) effects are observed, which result in a variation of the dc conductivity in magnetic fields by more than six orders of magnitude. In contrast to the described *order* phenomena in CdCr2S4 and HgCr2S4, the unusual behaviour of FeCr2S4 is the observed *disordered* ground state, despite for this system a transition into an orbitally ordered state is expected at low temperatures. In this work the first evidence of glassy freezing of orbital degrees of freedom is provided. The continuous slowing down of the "reorientational dynamics" of the electronic orbitals can be followed by dielectric spectroscopy over several orders of magnitude down to the millisecond-regime.show moreshow less

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Metadaten
Author:Robert FichtlGND
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus-6986
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/617
Advisor:Alois Loidl
Type:Doctoral Thesis
Language:German
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2007/07/13
Release Date:2008/01/31
Tag:Multiferroika; Multiferroikum; Magnetokapazität; magnetokapazitiver Effekt; CMC; CMR; orbitales Glas; CdCr2S4; HgCr2S4; FeCr2S4
dielectric spectroscopy; sulphur spinels; spinels; multiferroics; magnetocapacitance; magnetocapacitive effect; orbital glass
GND-Keyword:Impedanzspektroskopie; Thiospinelle; Spinell; Dielektrische Relaxation; Dielektrikum; Magnetowiderstand; Magnetoelektrischer Effekt
Source:ISBN 978-3-86664-249-2
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik