Lead
Das spektroskopische Verfahren der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (engl. RIXS) mit Sensitivität für Spin-, Ladungs- und orbitalen Anregungen in Übergangsmetalloxiden hat in den letzten 2 Jahren eine enorme Entwicklung erfahren. Kuprate in quasi-ein-dimensionaler Form als Ketten oder Leitern stellen ideale Modellsysteme mit besonderen Eigenschaften dar, die für RIXS Studien der relevanten Wechselwirkungen im Ladungs-, Spin- und orbitalen Freiheitsgrad geeignet sind.

Lay summary

Titel: Gekoppelte Spin-, Ladungs- und orbitale Dynamik in niedrigdimensionalen Kupraten

Es gibt neben RIXS nur ein anderes experimentelles Verfahren, das experimentellen Zugang zu der Dispersion der kollektiven Ladungsdichte-Anregungen in diesen Materialien gibt, und zwar die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (engl. EELS). Allerdings haben diese beiden Methoden wichtige interessante und komplementäre Aspekte: Während RIXS es ermöglicht, magnetische und orbitale Anregungen mit hervorragender Empfindlichkeit zu untersuchen, ist EELS ideal für die Untersuchung der Ladungs-Transfer-Anregungen und Plasmonen geeignet.

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Die Idee dieses Projektes ist es, die neuen Möglichkeiten von RIXS mit EELS und Theorie in einem neuartigen umfassenden Ansatz für die Erforschung der elementaren Anregungen korrelierter Elektronenmaterialien zu kombinieren. Dieser neue Ansatz wird in niedrig-dimensionalen Kupraten, die gut definierte Modellsysteme von großer wissenschaftlicher Relevanz darstellen, angewendet werden. Es gibt zwei große Ziele: Das erste ist, den Ansatz und die Methodik durch das Studium der Modellmaterialien, die eine gründliche theoretische Analyse ermöglichen, zu etablieren, weil für solche Systeme die Beschreibung der RIXS und EELS Prozesse gut verstanden werden kann. Durch die Verbesserung der RIXS Datenanalyse wird dies unweigerlich neue Informationen über die elementaren Anregungen und die Kopplung zwischen ihnen in diesen niedrig-dimensionalen Modellkupraten hervorbringen. Dies wird dann den Weg zu dem zweiten Ziel dieses Projektes ebnen, diesen Ansatz zu nutzen, um neuartige Kupratmaterialien zu studieren. Konkret schlagen wir vor, Kupratverbindungen, die eindimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeiten und neue Viel-Bein-Leiter-Systeme darstellen, zu untersuchen. Mit dem Einsatz dieser einzigartigen Kombination von experimentellen Methoden und Theorie wollen wir wichtige neue Einblicke in die kollektive Spin-, Ladungs- und Orbital-Dynamik dieser neuartigen Materialien, die gegenwärtig nicht anders zugänglich sind, gewinnen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Für diese gebündelten Forschungsanstrengungen stehen zwei weltweit führende experimentelle Einrichtungen zur Verfügung: die RIXS Anlage des PSI Villigen und die EELS Anlage des IFW Dresden. Die vorgeschlagene enge Zusammenarbeit von PSI Villigen und IFW Dresden vereint die experimentelle und theoretische Expertise der beiden Institute und wird dadurch weiterreichende Ergebnisse in diesen Studien generieren, die von einem Team allein nicht erzielt werden könnten.

Unsere Arbeit wird somit zum verbesserten Verständnis der Kupratmaterialien and insbesondere dem Verständnis der Hochtemperatursupraleitung beitragen. Weiterhin wird die RIXS Methode an diesem Forschungsthema in idealer Weise weiterentwickelt werden können. Dies ist eine wichtige Vorraussetzung für die spätere Anwendung der RIXS Technik in Studien an funktionellen Materialien mit direktem Anwendungsbezug.