Neue Magnetoelektrika und magnetoelektrische Multiferroika

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Suche nach neuen multiferroischen Materialien mit starker magnetoelektrischer Kopplung. Zunächst wird die Etablierung und Optimierung der für die dielektrischen Untersuchungen notwendigen Tieftemperaturmesstechnik vorgestellt. In der ersten untersuchten Substanzklasse, der Gruppe der Wolframate MWO4, bzw. MIMII(WO4)2 wird die Verbindung MnWO4 als neues Multiferroikum identifiziert, dessen magnetoelektrischer Kopplungsmechanismus auf einer spiralartigen Spinanordnung beruht. Für die Verbindung NaFe(WO4)2 wird ebenfalls multiferroisches Verhalten beobachtet. Da diese Substanz eine kollineare Spinanordnung aufweist, deutet dieses Ergebnis auf das Vorliegen eines andersartigen, möglicherweise bisher unbekannten magnetoelektrischen Kopplungsmechanismus hin. In der zweiten untersuchten Substanzklasse, der Gruppe der Pyroxene AMSi2O6, wird zunächst das Mineral Ägirin mit der durch Mikrosondenanalyse bestimmten Zusammensetzung Na1.04Fe0.83Ca0.04Mn0.02Al0.01Ti0.08Si2O6 als neues Multiferroikum identifiziert: In dieser Verbindung wird unterhalb 6K das Auftreten einer spontanen elektrischen Polarisation von bis zu 13 muC/m2 in einer antiferromagnetisch geordneten Phase beobachtet. Eine starke magnetoelektrische Wechselwirkung tritt in Form der Schaltbarkeit der elektrischen Polarisation von der kristallographischen b- in die c- Richtung mittels eines senkrecht zur b-Richtung applizierten Magnetfeldes auf. Ein entsprechendens magnetoelektrisches Phasendiagramm wird vorgestellt. Als zweites Pyroxen wird die synthetisch hergestellte Verbindung LiFeSi2O6 untersucht. Diese Substanz wird als neues lineares Magnetoelektrikum identifiziert, dessen magnetoelektrische, antiferromagnetische Phase unterhalb einer magnetfeldabhängigen Übergangstemperatur kleiner-gleich 18.5 Kelvin auftritt. Bei Applizierung von Magnetfeldern größer etwa 5 Tesla tritt ein Spinflop-Übergang auf, der das magnetoelektrische Verhalten zerstört. Aus einer kompletten Vermessung der dielektrischen Anisotropie wird der vollständige magnetoelektrische Tensor bestimmt. Eine Symmetrieanalyse führt zur Ableitung der exakten mikroskopischen magnetischen Struktur dieser Substanz allein auf der Basis makroskopischer dielektrischer und magnetischer Messungen: In der magnetoelektrischen Phase wird die magnetische Symmetrie von LiFeSi2O6 durch die magnetische Raumgruppe P21/c' mit parallel c angeordneten magnetischen Momenten beschrieben. In LiFeSi2O6 tritt, signalisiert durch einen starken nicht-symmetrischen Anteil im magnetoelektrischen Tensor, ein ferrotoroidaler Effekt auf. Ein Ausdruck für das entsprechende Toroidisierungsgitter wird aus der ermittelten magnetischen Struktur abgeleitet. Als dritte Verbindung aus der Klasse der Pyroxene wird synthetisch hergestelltes LiCrSi2O6 untersucht. Diese Substanz zeigt ebenfalls linear magnetoelektrisches Verhalten. Der Übergang von der ungeordneten in eine antiferromagnetisch geordnete linear magnetoelektrische Phase erfolgt in LiCrSi2O6 bei einer magnetfeldunabhängigen Phasenübergangstemperatur von etwa 11K