Coupled spin, charge and orbital dynamics of low-dimensional cuprates
Final Report Abstract
Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden die elementaren Anregungen niedrigdimensionaler Elektronensysteme sowohl experimentell mittels EELS und RIXS, als auch anhand theoretischer Modelrechnungen eingehend untersucht. Wie die aus diesem Projekt hervorgegangenen und in teilweise sehr hochrangigen Journalen erschienenen Publikationen zeigen, hat sich diese Kombination aus Experiment und Theorie als sehr erfolgreich erwiesen. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Gruppen aus der Schweiz und Deutschland war dabei für den Erfolg des Projekts essentiell: Mit dem einzigartigen RIXS-Spektrometer der Swiss Light Source (AG Thorsten Schmitt) konnten viele erfolgreiche RIXS-Messungen durchgeführt werden. Zusammen mit den am IFW- Dresden durchgeführten EELS-Messungen (AG Jochen Geck) und Modellrechnungen (AG Jeroen van den Brink), konnten die wichtigsten elementaren Anregungen der untersuchten Materialien identifiziert und analysiert werden. So haben wir für die kantenverknüpften Spinketten in CuGeO3 und Li2CuO2 Zhang-Rice Exzitonen identifiziert und diese genutzt, um lokale Spin-Korrelationen in diesen niedrigdimensionalen Quantenmagneten zu studieren – ein Ansatz, der in Hinblick auf die Erforschung von neuartigen Quantenspinflüssigkeiten sehr interessant ist. Ferner konnten wir zeigen, dass elektronische Energieskalen des Materials Li2CuO2 dramatisch durch Elektron-Phonon-Kopplungen renormalisiert werden. Diese Effekte können durchaus für eine Reihe anderer korrelierter Materialien relevant sein. Ein weiterer wichtiger Fortschritt konnte in Bezug auf die Behandlung der Rumpflocheffekte im Rahmen von ab initio Rechnungen gemacht werden. Diese Effekte treten in vielen Rumpfniveauspektroskopien auf und sind für die Interpretation und Analyse der entsprechenden Spektren für korrelierte Materialien wichtig. Wie allen oben genannten Studien, so waren auch die Untersuchungen zur magnetischen Femtosekundendynamik in den zweibeinigen Spinleitern des Materials CaCu2O3 nur durch die geförderte Zusammenarbeit möglich, genauso wie die Untersuchungen zu den Fraktionalisierungsprozessen in diesem Material. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch dieses gemeinsame DFG-SNF-Projekt eine Reihe sehr interessanter Ergebnisse erarbeitet wurden. Die Zusammenarbeit besteht auch weiter, was auch an einer aktuell eingereichten gemeinsamen Arbeit deutlich wird. Darüber hinaus haben sich auch neue Fragestellungen ergeben, wie zum Beispiel die sehr unerwarteten Anregungen in den fünfbeinigen Leiterstrukturen, sodass auch in Zukunft relevante Beiträge dieser Zusammenarbeit erwartet werden können.
Publications
- Determining the Short-Range Spin Correlations in Cuprate Chain Materials with Resonant Inelastic X-ray Scattering, Phys. Rev. Lett. 110, 087403 (2013)
C. Monney, V. Bisogni, K.J. Zhou, R. Kraus, V.N. Strocov, G. Behr, J. Malek, R Kuzian, S.-L. Drechsler, S. Johnston, A. Revcolevschi, B. Büchner, H. M. Ronnow, J. van den Brink, J. Geck, T. Schmitt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.087403) - Femtosecond dynamics of magnetic excitations from resonant inelastic x-ray scattering in CaCu2O3, Phys. Rev. Lett. 112, 147401 (2014)
V. Bisogni, S. Kourtis, C. Monney, K. Zhou, R. Kraus, C. Sekar, V. Strocov, B. Buechner, J. van den Brink, L. Braicovich, T. Schmitt, M. Daghofer, and J. Geck
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.147401) - Orbital control of effective dimensionality: From spin-orbital fractionalization to confinement in the anisotropic ladder system CaCu2O3, Phys. Rev. Lett. 114, 096402 (2015)
V. Bisogni, K. Wohlfeld, S. Nishimoto, C. Monney, J. Trinckauf, K. Zhou, R. Kraus, K. Koepernik, C. Sekar, V. Strocov, B. Büchner, T. Schmitt, J. van den Brink, and J. Geck
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.096402) - Electron-lattice interactions strongly renormalize the charge-transfer energy in the spinchain cuprate Li2CuO2, Nature Comm. 7, 10653 (2016)
S. Johnston, C. Monney, V. Bisogni, K. J. Zhou, R. Kraus, G. Behr, V. N. Strocov, J. Malek, S.-L. Drechsler, J. Geck, T. Schmitt, and J. van den Brink
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms10563) - Probing inter- and intrachain Zhang-Rice excitons in Li2CuO2 and determining their binding energy, Phys. Rev. B 94, 165118 (2016)
C. Monney, V. Bisogni, K.-J. Zhou, R. Kraus, V. N. Strocov, G. Behr, S.-L. Drechsler, H. Rosner, S. Johnston, J. Geck, and T. Schmitt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.165118) - Single crystal growth of spin-ladder compound La8Cu7O19 by the travelling-solvent floating zone method, Journal of Crystal Growth 448, 21 (2016)
A. Mohan, S. Singh, S. Partzsch, M. Zwiebler, J. Geck, S. Wurmehl, B. Büchner, C. Hess
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.05.005) - Orbital breathing effects in the computation of x-ray d-ion spectra in solids by ab initio wave-function-based methods, J. Phys.: Condens. Matter 29, 035502 (2017)
N. A. Bogdanov, V. Bisogni, R. Kraus, C. Monney, K. Zhou, T. Schmitt, J. Geck, A. O. Mitrushchenkov, H. Stoll, J. van den Brink and L. Hozoi
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-648X/29/3/035502) - Comment on 'Oxygen vacancy-induced magnetic moment in edge-sharing CuO2 chains of Li2CuO2', New J. Phys. 20, 058001 (2018)
R. O. Kuzian, R. Klingeler, W. E. A. Lorenz, N. Wizent, S. Nishimoto, U. Nitzsche, H. Rosner, D. Milosavljevic, L. Hozoi, R. Yadav, J. Richter, A. Hauser, J. Geck, R. Hayn, V. Yushankhai, L. Siurakshina, C. Monney, T. Schmitt, J. Thar, G. Roth, T. Ito, H. Yamaguchi, M. Matsuda, S. Johnston, J. Málek and S.-L. Drechsler
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/aac159)
