Neue topologische Zustände in Multiferroika

Materialien für elektrische und magnetische Anwendungen unterscheiden sich normalerweise stark voneinander. Überraschenderweise können diese beiden Eigenschaften in manchen Systemen gleichzeitig existieren. Materialien, bei denen sowohl Elektrizität als auch Magnetismus nicht nur vorhanden sind, sondern auch stark miteinander wechselwirken, nennt man Multiferroika. Multiferroika zeigen eine Reihe neuartiger physikalischer Phänomene und sind auch für Anwendungen relevant, z.B. Speicherelemente, Systeme zur Steuerung magnetischer Eigenschaften durch elektrische Spannung oder der elektrischen Polarisation durch Magnetfelder. Schalten von meisten physikalischen Eigenschaften, z.B. Ladung, Magnetisierung oder Polarisation wird normalerweise über zwei Zustände beschrieben, die man üblicherweise als 0 und 1 bezeichnet. In der Praxis wird dies entweder durch Ein- oder Ausschalten von z.B. elektrischer Spannung oder durch eine Umkehr der Magnetisierung oder elektrischen Polarisation erreicht. In aktuellen Experimenten mit multiferroischen Materialien auf der Basis von Gadolinium und Manganoxid konnte eine ungewöhnliche neue Situation entdeckt werden: Anstelle von zwei, weisen diese Materialien eine Reihe von vier unterschiedlichen magnetoelektrischen Zuständen auf, jeder mit seiner eigenen einzigartigen elektrischen Polarisation und magnetischen Eigenschaften. Detaillierte Untersuchungen legen nahe, dass jeder der vier Zustände einer 90-Grad-Rotation der magnetischen Momente entspricht und somit eine vollständige 360-Grad-Rotation in einem Zyklus vollzieht. Diese Drehung wird durch das Hin- und Herschalten des externen Magnetfelds erreicht und ähnelt somit einer mechanischen Kurbelwelle. Im vorliegenden Projekt soll der neue Vier-Zustands-Zyklus in einer breiteren Materialklasse untersucht werden. Wir werden nach Möglichkeiten suchen, diesen Zyklus zu kontrollieren und möglicherweise zu modifizieren, sowie die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen einschließlich der erwähnten 360-Grad-Rotation zu verstehen. In geplanten Experimenten wird die klassische Kombination experimenteller Stimuli wie elektrische und magnetische Felder erweitert. Als neuer Parameter wird die Rotation des externen Feldes hinzugefügt, um neue elektrische und magnetische Zustände zu suchen. Diese Experimente werden durch Messungen magnetischer und magnetoelektrischer Spektren im Terahertz-Frequenzbereich unterstützt, die wertvolle Informationen über die Dynamik der untersuchten Materialien liefern. Dieses Projekt wird von Andrei Pimenov geleitet, mit Janek Wettstein als Co-Autor, beide an der Technischen Universität Wien tätig.