Light scattering in spin orbit coupling dominated systems

Cetin, Mehmet Fatih

Neuartige elektronische Zustände in Festkörpern mit unkonventionellen Phasen basieren hèufig auf starker Spin-Bahn-Kopplung (SOC). Beispiele dafür sind topologische Isolatoren und unkonventionelle Magnete. Die Verbindungen Sr2IrO4, Sr3Ir2O7, BaIrO3 und Na4Ir3O8 dienen als Modellsysteme für solche Phasen. Aktuelle resonante Röntgen- (RIXS) und IR-Absorptionsstudien an Sr2IrO4 weisen Anomalien auf, die aus dem Zusammenspiel aus Ladung und Spin resultieren. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung dieser Anomalien mittels Raman-Streuung mit unterschiedlichen Laser Energien (resonante Raman-Streuung). Ausgeprägte Resonanzen zeichnen sich in den Intensitäten und Linienbreiten von Phononen und magnetischer Anregung. Sr3Ir2O7 ist ein weiterer interessanter Fall von Spin-Bahn-Physik. Trotz der Sr2IrO4-ähnlichen Kristallstruktur weisen die Raman-Daten deutliche Unterschiede in den elektronischen und magnetischen Strukturen auf. Das quasi-eindimensionale System BaIrO3 zeichnet sich durch die Bildung einer Ladungsdichtewelle (CDW) durch strukturelle Verzerrungen aus, was zu Streu- und Phonon Anomalien in unseren Raman-Spektren führt. Schließlich werden erste Raman-Spektren der Verbindung Na4Ir3O8 gezeigt und diskutiert, die einen Spin-Flüssigkeitsgrundzustand ausbildet.

Strong spin-orbit coupling (SOC) in solids has recently been identified as leading to novel electronic states with unconventional phases. Examples are topological insulators and unconventional magnets. Sr2IrO4, Sr3Ir2O7, BaIrO3, and Na4Ir3O8 are candidates and model systems for such phases. Recent Resonant X-Ray and IR absorption studies on Sr2IrO4 show anomalies that are related to the proximity of charge and spin modes. This proximity is further investigated in the following thesis based on Raman scattering with different incident Laser energies (Resonant Raman scattering). Pronounced resonances show up in intensity and linewidths of phonon and magnetic scattering. Sr3Ir2O7 is another interesting case of spin orbit physics. Despite the similar crystal structure to Sr2IrO4, the electronic structure and magnetic structure of Sr3Ir2O7 differs significantly from Sr2IrO4 which is evident in our magnetic Raman scattering data. BaIrO3 is a quasi-1D system which exhibits peculiar transitions. A charge density wave (CDW) formation accompanied by structural distortions is evident in our Raman scattering data in terms of electronic scattering and phonon anomalies. Another novel case of spin-orbit physics is given in Na4Ir3O8 which is reported to be a spin liquid. First Raman data of this special compound are discussed.

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Cetin, Mehmet Fatih: Light scattering in spin orbit coupling dominated systems. 2012.

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