Die Forschung in der Arbeitsgruppe „Spektroskopie komplexer Materialien“ (AG Ollefs) basiert auf Röntgenabsorptionsspektroskopie und -bildgebung. Unser Hauptziel ist es, das Verständnis von Festkörpermaterialien hinsichtlich ihrer elektronischen und geometrischen Struktur sowie ihrer magnetischen Eigenschaften zu vertiefen. Dabei befassen wir uns mit einer Vielzahl von Themen, von denen im Folgenden einige Beispiele beschrieben werden.
Permanentmagnete sind ein Grundbaustein der grünen Energieerzeugung und ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher moderner Technologien. Sie zeichnen sich durch eine spontane Magnetisierung aus, und zeigen eine möglichst hohe Remanenz und Koerzivität. Ziel ist es ,aktuelle Magneten in dieser Hinsicht zu verbessern, also die Hysterse zu verbreitern und damit die Energiedichte zu vergrößern, oder neue Magnete zu entdecken, sowohl mit als auch ohne kritische sog. Seltene Erden.
In beiden Fällen ist ein solides Verständnis der elementaren magnetischen Eigenschaften der Atome, die Mikrostruktur der Materialien als auch deren Zusammenspiel entscheidend. Konkrete Fragestellungen beziehen sich auf die elementaren magnetischen Momente und deren Wechselwirkung, die Bildung der magnetischen Anisotropie im Kristallgitter und die Domänenwandbewegung über Phasengrenzen und Defekte hinweg. In unserer Gruppe setzen wir auf fortschrittliche Techniken wie Röntgenabsorption (XAS, XMCD, EXAFS) und verschiedene bildgebende Verfahren, um eine Vielzahl verschiedener Informationen aus dem Material zu bekommen und so fundamentale als auch angewandte Fragestellungen zu beantworten.
Dieses Forschungsthema ist eingebunden in den CRC/TRR 270 HoMMage als Teilprojekt A03
Aufgrund des weltweit zunehmenden Energiebedarfs für Kühlung besteht ein großes Interesse an der Entwicklung und Erforschung alternativer Kühlkonzepte. Materialien mit magnetokalorischem Effekt stellen eine vielversprechende Klasse von Festkörperkühlmaterialien dar, die eine Alternative zur konventionellen Gaskompressorkühlung bieten.
Magnetokalorische Materialien zeigen bei einer Änderung des angelegten Magnetfeldes eine reversible Änderung ihrer Temperatur unter adiabatischen Bedingungen aufgrund einer Entropieänderung des magnetischen Gitters. Gleichzeitig können sich auch die elektronischen Eigenschaften und die Gitterstruktur ändern.
In unserer Gruppe werden diese Prozesse unter anderem mithilfe von Methoden der Röntgenabsorption untersucht. Dadurch lassen sich die elementspezifischen Beiträge zu den magnetischen, strukturellen und vibratorischen Eigenschaften bestimmen. Auf dieser Grundlage können Materialien hinsichtlich ihrer magnetokalorischen Eigenschaften und ihrer Eignung für die Festkörperkühlung gezielt optimiert werden.
Skizze eines magnetokalorischen Kühlkreislaufs. Mit KI adaptiert von: O. Tegus, E. Brück, K. H. J. Buschow, and F. R. de Boer, Nature 415, 150 (2002).
Nach lokaler optischer Laseranregung eines Festkörpers befindet sich dieser in einem Nichtgleichgewichtszustand. Verschiedene mikroskopische Prozesse führen nun in den ersten hunderten von Femtosekunden (fs) dafür dazu, dass dieser wieder in ein thermisches Gleichgewicht übergehen kann. Hieran beteiligt sind die Elektronen, ihre Spins und das Gitter, die untereinander wechselwirken.
Wir nutzen zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie, um die Anregung und Relaxation optisch angeregter Zustände mit zeitlichen Auflösungen von einigen zehn Pikosekunden bis hinunter in den Femtosekundenbereich zu untersuchen. Entscheidend für die Entflechtung der Beiträge verschiedener Elemente ist die Element- und Orbitalselektivität von Röntgentechniken in Mehrkomponentenmaterialien oder Schichtsystemen.
Dieser Forschnugsbereich ist eingebunden im CRC/SFB1242 als Teilprojekt A07.
Schematische Darstellung eines Experiments. Die Pumpe (roter Pfeil) ist ein Laserimpuls, der das Material anregt. Nach der Anregung kann die Röntgensonde (blaue Energie) diese Anregungen messen. In diesem Fall erfolgt die Messung am TM-L-Kante, wobei die Valenz-3d-Zustände durch die Anregung von Elektronen vom 2p- zum 3d-Zustand untersucht werden. Mit KI angepasst aus: https://www.uni-due.de/sfb1242/overview_a7.php
Künstliche Spin-Ice-Systeme sind maßgeschneiderte Anordnungen nanoskaliger Magnete, die einige spannende magnetische Phänomene aufweisen können, wie z.B. magnetische Frustration, magnetische Monopole oder kollektive Anregungen.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Frage, wie sich solche Zustände und Anregungen bilden, verändern und dynamisch kontrollieren lassen. Röntgenbasierte Abbildungsmethoden, insbesondere mit Zeitauflösung, liefern dabei element- und spinspezifische Informationen über die magnetische Struktur und ihre Dynamik. Dadurch eröffnen künstliche Spin-Ice-Systeme neue Perspektiven für die Erforschung von frustriertem Magnetismus sowie für zukünftige Anwendungen in der Computertechnologie.
Dieses Projekt wird im Rahmen eines deutsch-französischen Kollaborationsprojektes durch die DFG gefördert.
Messung der Magnetisierung der Nanomagnete in einem künstlichen Spin-Eis System auf einem regulären Gitter. Copyright to Patrick Steinkraus
