Magnetoelektrizität aufgrund lokaler und globaler Symmetrien

Breiter Forschungskontext Elektrische und magnetische Felder im Vakuum sind durch Maxwell-Gleichungen miteinander gekoppelt. In Materialien entspricht diese statische und dynamische Kopplung magnetoelektrischem Effekt, welcher etwa ein Jahrhundert nach der Maxwell-Elektrodynamik entdeckt wurde. Der magnetoelektrische Effekt ist besonders stark in Multiferroika, d.h. in Materialien mit gleichzeitiger elektrischer und magnetischer Ordnung. Magnetoelektrische und multiferroische Materialien versprechen eine Reihe von Anwendungen, insbesondere in der Elektronik und in den Speichermedien, da sie einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Steuerung von Elektrizität und Magnetismus bieten. Kürzlich wurde eine neue Familie magnetoelektrischer Materialien auf der Basis von Seltenerd-Langasiten (La3 Ga5 SiO14 und verwandte Verbindungen) aufgrund neuer Mechanismen der Magnetoelektrizität bekannt, welche durch Wechselwirkung verschiedener Symmetrien entstehen. Die Kristallsymmetrie in Langasiten verbietet die elektrische Polarisation und damit den magnetoelektrischen Effekt. Dieses Problem lässt sich allerdings indirekt lösen, basierend auf der lokalen Symmetrie der Seltenerd-Ionen im Kristallgitter. Ziele Neue Mechanismen des magnetoelektrischen Effekts werden in Langasiten mit unterschiedlicher Seltenerdsubstitution, wie Holmium, Terbium usw. untersucht. Das Zusammenspiel von lokalen und globalen Symmetrien in dieser Materialklasse wird es ermöglichen, neues Zusammenspiel zwischen elektrischen und magnetischen Momenten zu erforschen. Durch Vergleich verschiedener Substituenten in derselben Materialklasse werden die Methoden gefunden, wie man statische Polarisation optimiert und somit die Wege zur neuen Anwendungen findet. Methoden Dieses Projekt wird die Kombination aus Kristallwachstum, statischen und dynamischen Experimenten, theoretischer Modellierung und Symmetrieanalyse nutzen. Der Charakter von magnetischen und magnetoelektrischen Anregungen wird durch eine Polarisationstechnik analysiert, welche dynamische magnetoelektrische Kopplung und mehrere ungewöhnliche optischer Phänomene wie optischer Aktivität oder Anisotropie der Ausbreitungsrichtung des Lichtes erfassen kann. Innovationsgrad Das Interesse zum magnetoelektrischen Effekt in Seltenerd-Langasiten beruht auf dem Zusammenspiel zwischen der globalen Symmetrie des Kristalls und der lokalen Symmetrie des Seltenerd-Ions. Während erstere die magnetoelektrische Kopplung verbietet oder unterdrückt, eröffnet die niedrigere lokale Symmetrie einen ungewöhnlichen indirekten Weg, um den Effekt durch schnelle Sättigung lokaler magnetischer Momente in externen Magnetfeldern zu ermöglichen.