News

Nature Physics

Direct observation of spin–orbit coupling in iron-based superconductors

S. V. Borisenko, D. V. Evtushinsky, Z.-H. Liu, I. Morozov, R. Kappenberger, S. Wurmehl, B. Büchner, A. N. Yaresko, T. K. Kim, M. Hoesch, T. Wolf & N. D. Zhigadlo

Spin–orbit coupling is a fundamental interaction in solids that can induce a broad range of unusual physical properties, from topologically non-trivial insulating states to unconventional pairing in superconductors. In iron-based superconductors its role has, so far, not been considered of primary importance, with models based on spin- or orbital fluctuations pairing being used most widely. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we directly observe a sizeable spin–orbit splitting in all the main members of the iron-based superconductors.


Nature Communications

Nesting-driven multipolar order in CeB6 from photoemission tomography

A. Koitzsch, N. Heming, M. Knupfer, B. Büchner, P. Y. Portnichenko, A. V Dukhnenko, N. Y. Shitsevalova, V. B. Filipov, L. L. Lev, V. N. Strocov, J. Ollivier, D. S. Inosov

Some heavy fermion materials show so-called hidden-order phases which are invisible to many characterization techniques and whose microscopic origin remained controversial for decades. Among such hidden-order compounds, CeB6 is of model character due to its simple electronic configuration and crystal structure. Apart from more conventional antiferromagnetism, it shows an elusive phase at low temperatures, which is commonly associated with multipolar order.


Physical Review Letter

Complex field-induced states in Linarite with a variety of high-order exotic SDWp states

B. Willenberg, M. Schäpers, A. U. B. Wolter, S.-L. Drechsler, M. Reehuis, J.-U. Hoffmann, B. Büchner, A. J. Studer, K. C. Rule, B. Ouladdiaf, S. Süllow, and S. Nishimoto


Angewandte Chemie  Int. Ed. 2015

Synthesis and Structure of LaSc2N@Cs(hept)‐C80 with One Heptagon and Thirteen Pentagons

Y. Zhang, K. B. Ghiassi, Q. Deng, N. Samoylova, M. M. Olmstead, A. L. Balch, A. A. Popov

The synthesis and single-crystal X-ray structural characterization of the first endohedral metallofullerene to contain a heptagon in the carbon cage are reported. The carbon framework surrounding the planar LaSc2N unit in LaSc2N@Cs(hept)-C80 consists of one heptagon, 13 pentagons, and 28 hexagons. This cage is related to the most abundant Ih-C80 isomer by one Stone–Wales-like, heptagon/pentagon to hexagon/hexagon realignment. DFT computations predict that LaSc2N@Cs(hept)-C80 is more stable than LaSc2N@D5h-C80, and suggests that the low yield of the heptagon-containing endohedral fullerene may be caused by kinetic factors.


Nature Communications

Orbital reconstruction in nonpolar tetravalent transition-metal oxide layers

N. A. Bogdanov, V. M. Katukuri, J. Romhányi, V. Yushankhai, V. Kataev, B. Büchner, J. van den Brink, and L. Hozoi

Sr2IrO4  is a prototypical spin-orbital Mott insulator which has attracted considerable interest in recent years. ESR experiments combined with ab initio quantum chemistry methods have enabled to untangle the 5d-shell electronic structure of Sr2IrO4, in particular an unexpected inversion of the ordering of the t2g orbital states.


Phys. Rev. Lett. 114

Mutual Independence of Critical Temperature and Superfluid Density under Pressure in Optimally Electron-Doped Superconducting LaFeAsO1−xFx

G. Prando, Th. Hartmann, W. Schottenhamel, Z. Guguchia, S. Sanna, F. Ahn, I. Nekrasov, C.G.F. Blum, A.U.B. Wolter, S. Wurmehl, R. Khasanov, I. Eremin and B. Büchner




Nature Physics


ERC Consolidator Grant for
Dr. Christian Hess

Electronic Order, Magnetism, and Unconventional Superconductivity in Real-Space 


ERC Consolidator Grant for
Dr. Alexey Popov

Surface-grafted metallofullerene molecular magnets with controllable alignment of magnetic moments


Neuer Sonderforschungsbereich „Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie“
(SFB 1143)
mit Beteiligung von Wissenschaftlern des Instituts für Festkörperforschung
(Pressemitteilung der TU Dresden)


Nature Materials

Orbital-driven Nematicity in FeSe

S-H. Baek, D. V. Efremov, J. M. Ok, J. S. Kim, J. van den Brink, and B. Büchner


Iron selenide is an appealingly clean system for understanding the origin of superconductivity in iron-based superconductors. A detailed NMR study shows that the nematic order preceding the superconducting phase is driven by orbital degree of freedom.


Physical Review Letters
EDITORS' SUGGESTION

Experimental Realization of a
Three-Dimensional Dirac
Semimetal


Using angle-resolved photoemission
spectroscopy, a 3D Dirac semimetal
phase has been observed in
Cadmium Arsenide for the first time.


  • Electron spectroscopy and microscopy

    Electron spectroscopy and microscopy

    „Microscopic understanding“ of a phenomenon is a syno-
    nym for the ability to describe it by first principles....

    Electron spectroscopy and microscopy
  • Synchrotron methods

    Synchrotron methods

    In order to understand,
    predict and control the
    physical properties of a
    material, it is necessary
    to know its electronic and
    crystal structures....

    Synchrotron methods
  • Synthesis and crystal growth

    Synthesis and crystal growth

    Our research is aiming at
    a fundamental understanding
    of functional properties of novel materials and their potential for applications....

    Synthesis and crystal growth
  • Transport and scanning probe microscopy

    Transport and scanning probe microscopy

    We investigate emergent
    phenomena of quantum
    matter...

    Transport and scanning probe microscopy
  • Magnetic Properties

    Magnetic Properties

    In a coherent experimental
    effort that combines thermo-
    dynamic methods...

    Magnetic Properties
  • Surface dynamics

    Surface dynamics

    Surfaces Dynamics – this
    means to us research on
    high frequency ultrasound
    phenomena...

    Surface dynamics
  • Nanoscale chemistry

    Nanoscale chemistry

    The morphology of nanosca-
    le materials such as the size
    and the shape of the nano-
    particles and nanocrystals
    can dramatically affect their
    properties....

    Nanoscale chemistry

 

Unsere Forschung beschäftigt sich mit materialorientierter experimenteller Festkörperforschung mit besonderen Schwerpunkten bei Quantenmaterialien und nanoskaligen Substanzen. Neben Grundlagenphysik und Materialsynthese betreiben wir auch anwendungsnahe Forschung, die von Elektronik bis zur Biomedizin reicht.

Quantum Materials

Die komplexen elektronischen Eigenschaften von "Quantum Materials" können aus dem Wechselspiel und ungewöhnlichen Ordnungsphänomenen von elektronischen Spin-, Orbital-und Ladungsfreiheitsgraden resultieren und im Zusammenhang mit topologisch geschützten Spin- oder Ladungszuständen beobachtet werden.

Sie treten in verschiedenen Substanzklassen auf: in einigen Übergangsmetalloxiden, in molekularen Festkörpern und in intermetallischen Verbindungen. Typischerweise besitzen dabei die Leitungs- und Valenzelektronen noch einen lokalen atomaren Charakter, was sie von den gut verstandenen itineranten Quasiteilchen in einfachen Metallen und Halbleitern unterscheidet. Es sind häufig Quanteneffekte durch die verbliebenen atomaren Freiheitsgrade, die einen anomalen elektronischen Ladungstransport, außergewöhnliche Ordnungsphänomene und damit ungewöhnliche makroskopische Festkörpereigenschaften in diesen „Quantum Materials“ hervorrufen.

In einigen Fällen sind die Gebiete gut etabliert und bereits sehr anwendungsnah (Supraleiter, Magnetokalorik), in einigen ist das Anwendungspotential offensichtlich (Magnetowiderstände, Magnetoelektrik etc.), in anderen Gebieten allenfalls konzeptionell greifbar (Skyrmionen, Topologische Isolatoren, ballistischer Spintransport) und daher zunächst Triebfeder grundlagennaher Forschung.


Nanoskaligkeit

Nanoskaligkeit modifiziert die fundamentalen elektronischen Eigenschaften der „Quantum Materials“. Im einfachsten Fall entsteht Nanoskaligkeit dabei an Grenz-oder Oberflächen von Volumenmaterialien, sie tritt auch in molekularen Systemen, Nanoröhren, Nanorollen oder Partikeln auf, die sich bei chemischen Prozessen aus Elementen wie Kohlenstoff aber auch aus komplexen Oxiden, intermetallischen Verbindungen  oder Hybrid-Materialien bilden. In einigen Fällen wie bei nanoskaligen Grenz- und Oberflächen in Topologischen Isolatoren ist Nanoskaligkeit Quelle der besonderen physikalischen Phänomene. Nanoskaligkeit liefert zudem einen wichtigen Zugang zur Kontrolle und Funktionalität der Materialien, sie kann also entscheidend sein, um Quantenmaterialien für technische Anwendungen zu erschließen.

Um bei der von uns angestrebten Verbindung der„Quantum Materials“ mit Anwendungen auch gezielt den Zusammenhang mit nanoskaligen Materialabmessungen zu erforschen, wurde im Jahr 2013 in Kooperation mit Wissenschaftlern aus mehreren Fakultäten der TU Dresden das „Center for Transport and Devices of Emergent Materials“ (CTD) gegründet.


Einzigartige Methodik für grundlagenorientierte Materialwissenschaft

In einer zunächst stark grundlagenorientierten Materialwissenschaft suchen interdisziplinär arbeitende Teams unseres Instituts nach neuen Verbindungen oder Materialien mit den skizzierten ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften. Falls notwendig wird dabei neuartige Methodik entwickelt, die für spezielle Fragestellungen bei der Synthese, der Analytik oder im Hinblick auf besondere physikalische Phänomene optimiert wird. Für die Studien steht demnach nicht nur eine breite, sondern auch eine in einigen Aspekten weltweit einzigartige Methodik zur Verfügung, die von ausgefeilten Syntheseverfahren bis zu höchstauflösender Spektroskopie (ARPES, STM/STS) reicht. Auch die methodischen Entwicklungen unseres Instituts bedeuten wichtige Erweiterungen der Grenzen heutiger Festkörperforschung. Viele der entwickelten Labors werden daher im Rahmen von Kooperationen auch Partnern an Universitäten (Kristallzüchtungslabor), weltweiten Nutzern (ARPES-Messstationen am Berliner Synchrotron BESSY) und Industriepartnern (Labor für Spektroelektrochemie) zur Verfügung gestellt.


Anwendungsnahe Forschungsarbeiten

Basierend auf den beschriebenen methodischen Stärken, thematischen Schwerpunkten und im Zusammenhang mit dezidierten Erfahrungen und Kenntnissen spezieller Materialklassen werden bei uns auch sehr applikationsnahe Forschungsarbeiten durchgeführt. Dabei werden die zentralen Fragen und Herausforderungen der modernen Industrie- und Informationsgesellschaft aufgegriffen. Dazu zählen z. B. Projekte in der Krebsforschung, die auf den Kenntnissen unseres Instituts in der Erforschung molekularer Nanostrukturen basieren. Ferner werden im Rahmen von Industrieprojekten zu den Fragen Energie und/oder Mobilität unsere Methoden und Expertise bei der Spektroelektrochemie, bei magnetischen Materialien und oxidischen Nanomaterialien genutzt. Gerade die Arbeiten im Bereich neuartiger magnetischer Materialien werden auch motiviert durch die drängenden Fragen im Zusammenhang mit nachhaltiger Ressourcennutzung. Die angewandte Forschung unseres Instituts umfasst mit dem Thema „Surface Acoustic Waves (SAW)“ weiterhin den Bereich Akustoelektronik, in dem innovative mikroakustische Bauelemente, die zugehörigen Hightech-Materialien und Technologien ein stark industrieorientiertes Forschungsziel bilden. Das neue „SAWLab Saxony - Competence Center for Acoustoelectronic Phenomena, Technologies and Devices“ soll auf diesem Gebiet die Expertisen des IFW Dresden mit denen der TU Dresden und mehreren kleinen und mittleren sächsischen Hightech-Unternehmen bündeln und damit die traditionell enge Kooperation mit regionaler Industrie verstärken.

 

 

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