English Title: Dilatometric studies on electronic nematicity and magneto-elastic coupling in iron-based superconductors and magneto-electrics

Preview

PDF, German Download (48MB) | Terms of use

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden dilatometrische Untersuchungen zu nemato- und magnetoelastischen Kopplungen in eisenbasierten Supraleitern und magnetoelektrischen Übergangsmetalloxiden vorgestellt. Die Messungen der thermischen Ausdehnung, Magnetostriktion sowie des Youngschen Moduls mittels Kapazitätsdilatometrie an Einkristallen zeigen die Bedeutung struktureller und elastischer Veränderungen sowohl für das Verständnis unkonventioneller Supraleitung in La(Fe,Co)AsO, BaFe2As2 und FeSe0.92S0.08 als auch der mikroskopischen Mechanismen magnetoelektrischer Effekte in LiFePO4 und NiTiO3. Für die Supraleiter stehen neben der Erstellung der Phasendiagramme und der Bestimmung des Ordnungsparameters des tetragonal-orthorhombischen Phasenübergangs die Messungen des Youngschen Moduls mittels einer 3-Punkt-Biegemethode im Vordergrund. Diese bestätigen das Schermodul C66 als weiche Mode des pseudo-echt ferroelastischen Phasenübergangs und ermöglichen die Untersuchung elektronisch nematischer Fluktuationen, die für La(Fe,Co)AsO erstmals gemessen wurden. Die quantitative Analyse mittels einer Landau-Theorie zeigt eine nicht erwartete Diskrepanz für La(Fe,Co)AsO im Vergleich zu Elastowiderstandsdaten. Für LiFePO4 und NiTiO3 zeigen die Daten starke magnetoelastische Kopplungen und die magnetischen Phasendiagramme sowie die Druckabhängigkeiten der charakteristischen Temperaturen und Felder werden bestimmt. Ein Scheitern der Grüneisen-Skalierung in LiFePO4 offenbart die Relevanz zusätzlicher Freiheitsgrade, die mit dem linearen magnetoelektrischen Effekt in Zusammenhang stehen. Hingegen beweist eine temperaturunabhängige Grüneisen-Konstante bei tiefen Temperaturen in NiTiO3, dass die strukturellen, dielektrischen und magnetischen Änderungen im Zuge der langreichweitigen AFM-Ordnung alle auf einen gemeinsamen magnetischen Ursprung zurückzuführen sind.

Translation of abstract (English)

This work presents dilatometric studies on nemato- and magneto-elastic coupling in iron-based superconductors and magneto-electric transition metal oxides. Measurements of thermal expansion, magnetostriction and Young’s modulus by means of capacitive dilatometry on single crystals highlight the decisive role of structural and elastic properties for unconventional superconductivity in La(Fe,Co)AsO, BaFe2As2 und FeSe0.92S0.08 as well as for magnetoelectric coupling in LiFePO4 und NiTiO3. For the superconductors, the phase diagrams are constructed and the structural order parameter of the tetragonal-orthorhombic transition is determined. In addition, measurements of Young’s modulus by means of the 3-point-bending technique confirm the shear modulus C66 as the soft mode of the pseudo-proper ferroelastic phase transition and enable to investigate electronic nematic fluctuations which are reported for La(Fe,Co)AsO for the first time. Quantitative Analysis by means of a Landau-theory reveals an unexpected discrepancy of evolution of nematicity in La(Fe,Co)AsO as compared to elastoresistivity data. For LiFePO4 and NiTiO3, the data evidence strong magneto-elastic coupling. The magnetic phase diagrams as well as pressure dependencies of characteristic temperatures and fields are determined. Failure of Grüneisen-scaling in LiFePO4 reveals the relevance of additional degrees of freedom which are associated with the linear magneto-electric effect. In contrast, temperature-independent Grüneisen parameter of NiTiO3 at low temperatures implies the structural, magnetic and dielectric changes are driven by one common energy scale which is of magnetic nature.