"Static and Dynamic Properties of Manganites and Cuprates"

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen der statischen und dynamischen Eigenschaften von Manganiten und Kupraten mit Hilfe von Ramanspektroskopie und Röntgendiffraktion. Das Auftreten von statischen, magnetischen und elektrischen Domänen in diesen Materialien ist nicht vollständig verstanden. In Manganiten mit Mn³⁺-Ionen kann die Elektron-Phonon Kopplung betrachtet werden. Dotierte Kuprate sind Hochtemperatursupraleiter mit komplexen Kopplungsmechanismen. Mit Hilfe von Ramanstreuung können elektronische und magnetische Gitteranregungen sowie Symmetrieeigenschaften untersucht werden. Ein neuartiges zwei-Farb Ramanexperiment wurde für zeitaufgelöste pump-probe Messungen entwickelt. Die Rontgendiraktion analysiert die Gitterstruktur und einzelne Atompositionen.

Eine Ramanresonanzstudie des multiferroischen Materials TbMnO₃ in Abhängigkeit der Temperatur zeigt verschiedene Phononenmoden, die auf die Existenz von unterschiedlichen Kraftkonstanten hindeuten. Außerdem werden eine lang- und eine kurzreichweitigen Ordnung bei T_N = 41 K und bei ungefähr 150 K festgestellt, die auf antiferromagnetische Domänen hinweisen. Bei einer Anregungsenergie von 1.91 eV wird eine quasielastische Antwort in niedrigen Frequenzen beobachtet, die durch verschiedene Kopplungen abhängig von der Streugeometrie erklärt werden kann.

Des Weiteren werden zeitaufgelöste Ramanmessungen an dotierten La_1-xCa_xMnO3 (LCMO) (x = 0.50, 0.55 und 0.76) und an dem Hochtemperatursupraleiter Bi2Sr₂CaCu₂O_8+δ (Bi-2212) mit einer Pumpenergie von 3.44 eV und einer Probeenergie von 1.72 eV gezeigt. In LCMO werden Änderungen in der Jahn-Teller Mode abhängig von der Dotierung mit Hinblick auf die Ladungsordnung, den Aufschmelzprozess und der Rekombination untersucht. Bei Bi-2212 treten Änderungen in der supraleitenden Energielücke und eine Umverteilung des spektralen Gewichtes auf. Die direkte Beobachtung des Ordnungsparameter zeigt zwei verschiedene Kopplungen: die Loch-Phonon und vermutlich die Loch-Spin Kopplung.

Die Röntgendiffraktionsstudie (hard and resonant soft X-ray scattering) in Abhängigkeit der Temperatur und des angelegten Magnetfeldes für das Material Eu_1-xY_xMnO₃ (x = 0.15, 0.25 und 0.40) dient zur Untersuchung der Gitterstruktur, der Ladungs- und Spinordnung sowie des inkommensurablen-kommensurablen Phasenübergang. Bei den multiferroischen Systemen (x = 0.25 und 0.40) treten Superstrukturpeaks auf, die auf die Bildung einer Multi-Domäne in einer einzelnen Phase hinweisen. Die magnetische Ordnung ändert sich bei T_N = 48 K, die Ladungsordnung bei ungefähr 40 K und die ferroelektrische Ordnung bei T_FE = 28 K.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis presents investigations of static and dynamic properties of manganites and cuprates by using Raman spectroscopy and X-ray diffraction. The appearance of static, magnetic and electric domains is only partly understood so far in these materials. In manganites with manganese Mn³⁺ ions the electron-phonon coupling can be analyzed by the Jahn-Teller distortion. Doped cuprates are high temperature superconductors with complex coupling mechanisms. Electronic, magnetic and vibrational lattice excitations as well as symmetry information about the lattice can be observed using Raman spectroscopy. A novel two-color Raman experiment has been built up for pump-probe time-resolved measurements. Hard X-ray diffraction yields information of structure and atom position.

A resonance Raman study of the multiferroic TbMnO₃ depending on temperature is presented. The analysis of dierent phonon modes leads to the existence of different force constants. However, a long and a short range ordering at T_N = 41 K and around 150 K indicate antiferromagnetic domains. A new observation is the quasielastical response in the low frequency range of the Raman spectra for an excitation energy of 1.91 eV with different couplings for different scattered geometries.

Furthermore time-resolved pump-probe Raman measurements are shown on doped manganites La_1-xCa_xMnO₃ (LCMO) (x = 0.50, 0.55, and 0.76) and on the high temperature superconductor Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (Bi-2212) with a pump energy of 3.44 eV and a probe energy of 1.72 eV. Changes of the Jahn-Teller phonon mode are studied in LCMO depending on dopings with regard to charge ordering, melting process and recombination. On Bi-2212 the Raman signal reveals changes of the superconducting gap and a redistribution of spectral weight to the quasiparticle response. The direct observation of the order parameter shows two different coupling mechanisms: the hole-phonon and probably the hole-spin coupling.

At last hard X-ray diffraction depending on temperature and magnetic field is studied for doped Eu_1-xY_xMnO₃ (x = 0.15, 0.25, and 0.40) to investigate the lattice structure, its distortion, the charge and spin order as well as the transition from the incommensurate to the commensurate phase. This study is supplemented with results of resonant soft X-ray scattering measurements. Superstructure peaks in the multiferroic materials (x = 0.25 and 0.40) reflect the formation of a multi-domain in one single phase. The material reveals changes in the magnetic order at T_N = 48 K, followed by the charge order around 40 K and the ferroelectric order at T_FE = 28 K.