Critical speeding-up near the monopole liquid-gas transition in magnetoelectric spin-ice

Competing interactions in the so-called spin-ice compounds stabilize a frustrated ground-state with finite zero-point entropy and, interestingly, emergent magnetic monopole excitations. The properties of these monopoles are at the focus of recent research with particular emphasis on their quantum dynamics. It is predicted that each monopole also possesses an electric dipole moment, which allows to investigate their dynamics via the dielectric function \epsilon(\nu). Here, we report on broadband spectroscopic measurements of \epsilon(\nu) in Dy2Ti2O7 down to temperatures of 200mK with a specific focus on the critical endpoint present for a magnetic field along the crystallographic [111] direction. Clear critical signatures are revealed in the dielectric response when, similarly as in the liquid-gas transition, the density of monopoles changes in a critical manner. Surprisingly, the dielectric relaxation time \tau\ exhibits a critical speeding-up with a significant enhancement of 1/\tau\ as the temperature is lowered towards the critical temperature. Besides demonstrating the magnetoelectric character of the emergent monopole excitations, our results reveal unique critical dynamics near the monopole condensation transition.Comment: Changes: Data shown and discussed as function of internal field H and flux density B, Figs.3&4 rearranged, references adde

Schülervorstellungen zu Wellenphänomenen - mit qualitativen und quantitativen Methoden zum physikalisch korrekten Wellenmodell -

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder.In einer qualitativen Studie wurden Schülerinnen und Schüler mit Hilfe halbstrukturierter Interviews und offenen Fragebögen zu Wellenphänomenen wie etwa Ausbreitungsgeschwindigkeit, Überlagerung und Dämpfung befragt. Es zeigte sich, dass Schülerinnen und Schüler sich mechanischer und wellenspezifischer Denkmodelle als auch Kombinationen aus beidem bedienen, welche mit dem physikalischen Wellenmodell jedoch häufig nicht übereinstimmen. Die Antworten der Schülerinnen und Schüler wurden kategorisiert und aus den gewonnenen Antwortkategorien ein Multiple-Choice-Test generiert.Die Ergebnisse des Multiple-Choice-Tests liefern wichtige Erkenntnisse über die Vorstellungsstrukturen der Lernenden und werden in einer Lerneinheit gewinnbringend eingesetzt, um den Weg hin zum physikalisch korrekten Wellenmodell zu erleichtern.

Schülervorstellungen zu Wellen - Konzeptwechsel mit Hilfe des hypothesengeleiteten Experimentierens

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder.In einer qualitativen Studie wurden Schülerinnen und Schüler mit Hilfe halbstrukturierter Interviews und offener Fragebögen zu Wellenphänomenen wie etwa Ausbreitungsgeschwindigkeit, Überlagerung und Dämpfung befragt. Es zeigten sich typische Muster in den Antworten der Schüler, die mit den von DiSessa formulierten „Primitives“ wie „Working harder“, „Dying away“, oder „Actuating Agency“ vereinbar sind. Zusätzlich ist erkennbar, dass Schülerinnen und Schüler sich mechanischer Denkmodelle analog dem newtonschen Korpuskelmodell bedienen, welche mit dem physikalischen Wellenmodell jedoch häufig nicht übereinstimmen.In einer Lerneinheit wird dazu ein an einem konstruktivistischen Lernzyklus angelegter Lernprozess durchlaufen. Im Fokus des Lernprozesses steht das hypothesengeleitete Experimentieren. Mit Hilfe von qualitativen und quantitativen Methoden wird erhoben wie weit die Lernenden den Konzeptwechsel zum physikalisch richtigen Wellenmodell ansteuern oder erreichen. Die Forschungsmethoden, insbesondere Videoprotokolle und Interviews, sollen den Verlauf und die Interaktionen dokumentieren und Ursache/Wirkungszusammenhänge aufklären

Orbital Freezing in FeCr2S4 Studied by Dielectric Spectroscopy

Broadband dielectric spectroscopy has been performed on single-crystalline FeCr2S4 revealing a transition into a low-temperature orbital glass phase and on polycrystalline FeCr2S4 where long-range orbital order is established via a cooperative Jahn-Teller transition. The freezing of the orbital moments is revealed by a clear relaxational behavior of the dielectric permittivity, which allows a unique characterization of the orbital glass transition. The orbital relaxation dynamics continuously slows down over six decades in time, before at the lowest temperatures the glass transition becomes suppressed by quantum tunneling.Comment: 4 pages, 4 figure

Schülervorstellungen zu Wellen - Konzeptwechsel mit Hilfe des hypothesengeleiteten Experimentierens

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder.In einer qualitativen Studie wurden Schülerinnen und Schüler mit Hilfe halbstrukturierter Interviews und offener Fragebögen zu Wellenphänomenen wie etwa Ausbreitungsgeschwindigkeit, Überlagerung und Dämpfung befragt. Es zeigten sich typische Muster in den Antworten der Schüler, die mit den von DiSessa formulierten „Primitives“ wie „Working harder“, „Dying away“, oder „Actuating Agency“ vereinbar sind. Zusätzlich ist erkennbar, dass Schülerinnen und Schüler sich mechanischer Denkmodelle analog dem newtonschen Korpuskelmodell bedienen, welche mit dem physikalischen Wellenmodell jedoch häufig nicht übereinstimmen.In einer Lerneinheit wird dazu ein an einem konstruktivistischen Lernzyklus angelegter Lernprozess durchlaufen. Im Fokus des Lernprozesses steht das hypothesengeleitete Experimentieren. Mit Hilfe von qualitativen und quantitativen Methoden wird erhoben wie weit die Lernenden den Konzeptwechsel zum physikalisch richtigen Wellenmodell ansteuern oder erreichen. Die Forschungsmethoden, insbesondere Videoprotokolle und Interviews, sollen den Verlauf und die Interaktionen dokumentieren und Ursache/Wirkungszusammenhänge aufklären

Schülervorstellungen zu Wellenphänomenen - mit qualitativen und quantitativen Methoden zum physikalisch korrekten Wellenmodell -

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder.In einer qualitativen Studie wurden Schülerinnen und Schüler mit Hilfe halbstrukturierter Interviews und offenen Fragebögen zu Wellenphänomenen wie etwa Ausbreitungsgeschwindigkeit, Überlagerung und Dämpfung befragt. Es zeigte sich, dass Schülerinnen und Schüler sich mechanischer und wellenspezifischer Denkmodelle als auch Kombinationen aus beidem bedienen, welche mit dem physikalischen Wellenmodell jedoch häufig nicht übereinstimmen. Die Antworten der Schülerinnen und Schüler wurden kategorisiert und aus den gewonnenen Antwortkategorien ein Multiple-Choice-Test generiert.Die Ergebnisse des Multiple-Choice-Tests liefern wichtige Erkenntnisse über die Vorstellungsstrukturen der Lernenden und werden in einer Lerneinheit gewinnbringend eingesetzt, um den Weg hin zum physikalisch korrekten Wellenmodell zu erleichtern.

Ferroelectric order versus metallicity in Sr1−x_{1-x}Cax_xTiO3−δ_{3-\delta} (x=0.009x=0.009)

We report on a thermal-expansion study of the ferroelectric phase transition in insulating Sr$_{1-x}$Ca$_x$TiO$_3$ ($x=0.009$) and its evolution upon increasing charge-carrier concentration up to $n\simeq 60 \times 10^{19}$cm$^{-3}$. Although electric polarization is screened by mobile charge carriers, we find clear signatures of the ferroelectric phase transition in the thermal-expansion coefficient $\alpha$ of the weakly doped metallic samples. Upon increasing $n$, the transition temperature $T_\mathrm{C}(n)$ and the magnitude of the anomalies in $\alpha$ rapidly decrease up to a threshold carrier density $n^\star$ above which broadened anomalies remain present. There is no indication for a sign change of $\alpha$ as is expected for a pressure-dependent quantum phase transition with $n$ as the control parameter. Thus, the ferroelectriclike transition is either continuously fading away or it transforms to another low-temperature phase above $n^\star$, but this change hardly affects the temperature-dependent $\alpha(T)$ data.Comment: 6 pages, 3 figure

Schülervorstellungen zum Wellenbegriff – Analogien als Anknüpfungspunkt?

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder. Studien haben gezeigt, dass bestimmte Schülervorstellungen in Zusammenhang mit Wellen (Seilwelle, Schallwelle, Wasserwelle, ...) wiederkehrend auftreten. Insbesondere zeigt sich hierbei eine Newtonsche Wellenvorstellung. In Anlehnung an diSessa [1] werden diese Vorstellungen qualitativ erfasst und anschließend kategorisiert. In einer entsprechenden Unterrichtseinheit wird im Kölner ZdI-Schülerlabor „Unser Raumschiff Erde" mit Hilfe von Analogieexperimenten (z.B. eines Wellenkanals) auf diese Schülervorstellungen eingegangen. Über ein E-Learning Portal wird ein Prä-Posttest angeboten, den die Schüler/innen vor und nach dem Laborbesuch in der Schule absolvieren und mit dessen Hilfe der Lernfortschritt evaluiert werden kann.

Schülervorstellungen zum Wellenbegriff – Analogien als Anknüpfungspunkt?

Der Wellenbegriff ist in der Physik, insbesondere der Schulphysik, von zentraler Bedeutung. Er findet sich sowohl in der Mechanik, Akustik, Optik, Elektrik als auch der Quantenmechanik wieder. Studien haben gezeigt, dass bestimmte Schülervorstellungen in Zusammenhang mit Wellen (Seilwelle, Schallwelle, Wasserwelle, ...) wiederkehrend auftreten. Insbesondere zeigt sich hierbei eine Newtonsche Wellenvorstellung. In Anlehnung an diSessa [1] werden diese Vorstellungen qualitativ erfasst und anschließend kategorisiert. In einer entsprechenden Unterrichtseinheit wird im Kölner ZdI-Schülerlabor „Unser Raumschiff Erde" mit Hilfe von Analogieexperimenten (z.B. eines Wellenkanals) auf diese Schülervorstellungen eingegangen. Über ein E-Learning Portal wird ein Prä-Posttest angeboten, den die Schüler/innen vor und nach dem Laborbesuch in der Schule absolvieren und mit dessen Hilfe der Lernfortschritt evaluiert werden kann.

Designing Polar and Magnetic Oxides: Zn2FeTaO6 - in Search of Multiferroics

Polar oxides are technically of great interest but difficult to prepare. Our recent discoveries predicted that polar oxides can be synthesized in the corundum-derivative A2BB′O6 family with unusually small cations at the A-site and a d0 electron configuration ion at B′-site. When magnetic transition-metal ions are incorporated more interesting polar magnetic oxides can form. In this work we experimentally verified this prediction and prepared LiNbO3 (LN)-type polar magnetic Zn2FeTaO6 via high pressure and temperature synthesis. The crystal structure analysis indicates highly distorted ZnO6 and (Fe/Ta)O6 octahedra, and an estimated spontaneous polarization (PS) of ∼50 μC/cm2 along the c-axis was obtained from point charge model calculations. Zn2Fe3+Ta5+O6 has a lower magnetic transition temperature (TN ∼ 22 K) than the Mn2FeTaO6 analogue but is less conductive. The dielectric and polarization measurements indicate a potentially switchable component