Elektrische Steuerung des dynamischen magnetoelektrischen Effekts in Multiferroika

Multiferroika sind neuartige Materialien mit einer Koexistenz elektrischer und magnetischer Ordnung. Speziell der dynamische magneto-elektrische Effekt in diesen Materialien stößt auf viel Interesse, da mehrere ungewöhnliche Phänomene wie starke Polarisationsdrehung oder asymmetrische Vorwärts/Rückwärts-Ausbreitung des Lichts zu erwarten sind. Diese Effekte sind aufgrund der starken Kopplung zwischen elektrischen und magnetischen Anregungen besonders charakteristisch für Multiferroika. Während die Steuerung der Intensität und der Polarisation des Lichts durch externe Magnetfelder bereits nachgewiesen wurde, bleibt deren elektrische Analogie, die für reale Anwendungen sehr wünschenswert ist, eine experimentelle Herausforderung. Eine weitere Besonderheit ist, dass die charakteristischen Frequenzen magnetoelektrischer Anregungen von Multiferroika im Terahertz (THz) Spektralbereich liegen, was mit den erwarteten Betriebsfrequenzen künftiger elektronischer Geräte zusammenfällt. Aus diesem Grund bieten dynamische Phänomene in Multiferroika ein grundlegend neues Konzept, bestehende Technologien zu verbessern und neue Geräte für die Mikroelektronik und Lichtsteuerung zu entwickeln. Dieses Projekt ist dem Einfluss elektrischer Spannung auf THz-Anregungen in multiferroischen Systemen gewidmet. Speziell wird die Wirkung des elektrischen Feldes auf die Ausbreitung und Polarisation elektromagnetischer Strahlung untersucht. Es wird erwartet, dass die geplanten Experimenteeinige nicht-triviale optische Effekte, wie die asymmetrische Vorwärts/Rückwärts-Ausbreitung von Licht, zeigen werden. Diese Effekte ebnen einen neuartigen Weg für die Anwendungen der Multiferroika in der Mikrowellen- und THz-Photonik.

In diesem Projekt wurden ungewöhnliche Effekte bei der Lichtausbreitung sowie Möglichkeiten der Lichtsteuerung mit Hilfe des dynamischen magnetoelektrischen Effekts untersucht. Magnetoelektrische Suszeptibilität ist die Kopplungskonstante zwischen elektrischen und magnetischen Eigenschaften eines Materials. In ähnlicher Weise ist das Licht eine elektromagnetische Welle mit sowohl elektrischer als auch magnetischer Komponente. Daher kann die Magnetoelektrizität effektiv verwendet werden, um das Licht insbesondere in solchen Materialien wie Multiferroika zu manipulieren, d. h. in Systemen mit gleichzeitiger elektrischer und magnetischer Ordnung. - In multiferroischen Boraten und Manganiten konnten wir die ausbreitenden Lichtmoden identifizieren, welche empfindlich auf statische Magnetfelder und auch auf elektrische Spannungen reagieren. Für diese Moden ist es somit möglich, die Lichtausbreitung unter Verwendung statischer Parameter zu steuern. Solche Effekte wurden experimentell im Terahertz-Frequenzbereich nachgewiesen. Die theoretische Erklärung nutzt die Tatsache, dass statische elektrische Polarisation und Magnetisierung durch äußere Felder verändert werden können. Die Modifikation von statischen Eigenschaften ihrerseits verändert dynamische Suszeptibilität und beeinflusst daher die Lichtausbreitung. - In verschiedenen magnetisch geordneten Materialien haben wir den Effekt der sog. nicht-reziproken Ausbreitung beobachtet, d. h. vereinfacht sind diese Systeme für eine Ausbreitungsrichtung transparent und undurchsichtig für die entgegengesetzte Richtung. Wir konnten zeigen, dass diese Asymmetrie direkt mit einer spezifischen Symmetriebrechung im Material selbst zusammenhängt. Theoretisch können solche Effekte aufgrund der magnetoelektrischen Suszeptibilität auf richtungsabhängige Terme in der Ausbreitungskonstante reduziert werden. - Wir konnten eine neue symmetriebedingte Rotation der Lichtpolarisation, die sogenannte gyrotrope Doppelbrechung, demonstrieren und erklären. Dieser Effekt wechselt das Vorzeichen sowohl nach der Zeitumkehrung als auch nach der Raumumkehrung. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Rotationsphänomenen wie optische Aktivität oder Faraday-Drehung, welche nur auf eine Art von Inversion empfindlich sind. - Wir haben festgestellt, dass in einem kollinearen miltiferroischen Manganit GdMn2O5 in einigen speziellen Geometrien eine ungewöhnliche Abfolge von magnetoelektrischen Zuständen beobachtet werden kann. Das Anlegen und anschließendes Entfernen eines Magnetfelds kehrt die elektrische Polarisation des Materials um und erscheint zusammen mit einem ungewöhnlichen 4-Zustands-Hysteresezyklus. In diesem Zyklus wird die Hälfte der magnetischen Momente jedes Mal beim Anschalten des Magnetfeldes um etwa 90 gedreht, was zu einer Vollkreisdrehung führt, wenn das Magnetfeld zweimal hintereinander an und ausgeschaltet wird. GdMn2O5 wandelt also die Hin- und Herbewegung des Magnetfelds in eine kreisförmige Drehbewegung der Magnetischen Momente um und macht es zu einer magnetischen Kurbelwelle. Effekte wie dieser können neue technische Möglichkeiten eröffnen und die Energieeffizienz von magnetischen Speicher- und Datenverarbeitungsgeräten verbessern. Schließlich ergab das Anlegen von elektrischer Spannung eine zusätzliche Möglichkeit um die vier Zustände in diesem System zu steuern.