Spin-Phonon Kopplung in der Nähe eines magnetisch-quantenkrititschen Punkts in Mn1-xFexSi

• Antragsteller: Dr. Frank Weber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419331252

Dieser Antrag beschäftigt sich mit Spin-Phonon Kopplung in Verbindungen Mn1-xFexSi, worin eine helimagnetische Ordnung mit zunehmender Eisenkonzentration an einem quantenkritischen Punkt bei x = 0.17 unterdrückt wird. Undotiertes MnSi (x = 0) ist ein Paradebeispiel für konkurrierende magnetische Wechselwirkungen, die zu einem komplexen Phasendiagramm mit neuartigen Ordnungsphänomen führen. Andererseits ist FeSi (x = 1) ein unmagnetischer Isolator bei tiefen Temperaturen, zeigt aber paramagnetisches Verhalten bei hohen Temperaturen. Die nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur von Mn1-xFexSi resultiert in einer endlichen Spin-Bahn Kopplung, die eine Kopplung zwischen Magnetismus und Kristallgitter vermittelt. Untersuchungen der gitterdynamischen Eigenschaften – auch von unserer Arbeitsgruppe – haben einen klaren, jedoch unerwarteten Zusammenhang zwischen magnetischen und gitterdynamischen Freiheitsgraden entdeckt: (1) Elektronische Zustände mit starker Elektron-Phonon Kopplung werden nur in der Gegenwart von magnetischen Fluktuationen aktiviert. (2) Phononen, deren Auslenkungsmuster stark variierende Eisen-Eisenabstände aufzeigen, werden durch eine dynamische Kopplung an die temperaturinduzierten magnetischen Momente gedämpft. FeSi ist also ein Material mit direkter Spin-Phonon Kopplung und mehreren relevanten Wechselwirkungen. Wir schlagen ein Arbeitsprogramm zur Erforschung der Energie-, Wellenvektor und Zusammensetzungsabhängigkeit der Spin-Phonon Kopplung in Mn1-xFexSi mittels Phononenspektroskopie vor. Basierend auf den Ergebnissen für FeSi und ersten Messungen von MnSi werden wir longitudinale Phononen am R Punkt [q = (0.5,0.5,0.5)] untersuchen, deren atomare Verschiebungsmuster stark variierende Mn/Fe – Mn/Fe Abstände enthalten. Ab-initio Rechnungen sagen eine stark zunehmende Phononenrenormalisierung mit steigender Eisenkonzentration vorher, allerdings für einen magnetisch geordneten Grundzustand. Die Unterdrückung der magnetischen Ordnung bei x = 0.17 könnte einen entscheidenden Einfluss auf dieses Verhalten haben und daher zu einer deutlichen Signatur des magnetischen quantenkritischen Punktes in der Gitterdynamik führen. Zehn Proben mit Dotierungen 0.03 ≤ x ≤ 0.32 stehen zur Verfügung. Wir werden Ramanstreuung verwenden, um eine detaillierte Dotierungsabhängigkeit der optischen Phononen am Zonenzentrum zu erhalten. Energie- und impulsraumaufgelöste inelastische Röntgen- und Neutronenstreuung sollen die Gitterdynamik im Besonderen am R Punkt, aber auch an anderen Stellen im reziproken Raum untersuchen. Unsere Untersuchung wird eine bisher weitgehend unbeachtete Wechselwirkung zwischen magnetischen und gitterdynamischen Freiheitsgraden in einer Materialklasse mit potentiellen Anwendungen in der Spintronik eingehend untersuchen. Ein Verständnis davon in welcher Weise solche Materialien auf extrinsische Parameter wie Dotierung reagieren ist ein Schlüssel zur Weiterentwicklung und Funktionalisierung aktueller und neuer Verbindungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen