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Montag, 24.07.2017
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„Taumelnde“ Spins als Magnetmesser

Erste Messung langanhaltender magnetischer Fluktuationen in Kristallen

Eines der bekanntesten magnetischen Materialien ist magnetisiertes Eisen. Doch obwohl viele seiner Eigenschaften gut analysiert sind, entzogen sich die angeregten Zustände dieses Metalls bisherigen Untersuchungen. Jetzt haben Wissenschaftler mithilfe von Neutronen erstmals die Lebensdauer von niedrigenergetischer Anregungen in einem magnetischen Material gemessen. Die jetzt in „Science“ veröffentlichten Ergebnisse erlauben auch Rückschlüsse auf das Phänomen der so genannten Spinwellen in solchen Materialien.
"Momentaufnahme" einer Spinwelle im Antiferromagnet MnF2

"Momentaufnahme" einer Spinwelle im Antiferromagnet MnF2

Die magnetischen Atome in ferromagnetischen Materialien wie beispielsweise Eisen besitzen einen intern drehenden Impuls, den so genannten Spin, welcher von den Elektronen stammt. Diese Spins kann man sich als sehr kleine Stabmagnete vorstellen. In einem Ferromagnet zeigen alle Spins in dieselbe Richtung. Sobald ein solches Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wirkt es als magnetisiertes Objekt. Eine eng verwandte Stoffklasse sind die Antiferromagneten, bei denen die Hälfte der Spins in die Gegenrichtung zeigt. Trotz gleicher Anzahl von magnetischen Momenten wie im Ferromagnet werden solche Materialien von einem Magnetfeld folglich nicht magnetisiert. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als 70 Jahren wurden viele Antiferromagnete hergestellt. Sie haben wichtige technologische Anwendung gefunden, zum Beispiel in Computer-Hard-Disks.

Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Keimer, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, darunter auch Physiker der Technischen Universität München und des Hahn-Meitner-Instituts Berlin haben eine vor kurzem erst am Forschungsreaktor FRM II in München in Betrieb genommene Neutronentechnik verwendet, um einen solchen Antiferromgneten zu untersuchen. MnF2, das von den Forschern untersuchte Material, ist ein Antiferromagnet. In diesem ionische Stoff hat jedes Mn2+-Ion einen Netto-Spin, der in entgegen gesetzte Richtung zu seinen Nachbar-Spins zeigt.

Wechselwirkung der Spins


Wie Elektronen besitzen auch Neutronen einen Spin. Wird nun ein magnetisches Material mit einem Neutronenstrahl bestrahlt, so wechselwirken die Spins der Neutronen mit den Spins des Materials, ähnlich wie sich zwei kleine Stabmagneten beeinflussen. Die wechselwirkenden Neutronen werden dabei abgelenkt; aus der Analyse des abgelenkten Neutronenstrahls lassen sich dann die magnetischen Eigenschaften des untersuchten Materials erklären. Hinzu kommt, dass die Neutronen tief in eine Probe eindringen, da sie von der meisten Materialien nur schwach absorbiert werden, sodass man die Technik dazu verwenden kann, um Informationen auch über physikalische Eigenschaften zu gewinnen, die sich nicht nur an der Oberfläche eines Materials widerspiegeln.


In vielen Antiferromagneten, darunter auch in MnF2, treten die Spins der magnetischen Atome stark in Wechselwirkung miteinander. In einem solchen Fall, wenn man also eine kleine Menge Energie zu diesem Materialsystem hinzufügt, wird diese nicht nur von einem einzigen Ion absorbiert, sondern über eine großes Volumen des Materials geteilt. Eine solche Anregung nennt man Spinwelle, die man auch als eine koordinierte magnetische Fluktuation betrachten kann.

Spinveränderungen als Welle


Um dieses Phänomen zu visualisieren, kann man sich vorstellen, dass man ein Ende eines Stabmagnets an einer Kegelspitze fixiert, und dass das andere Ende beginnt, auf periodische Weise um den Kegelumfang zu kreisen. Wenn wir den Kristall in eine bestimmte Richtung betrachten, so würde eine Momentaufnahme der Kegelumfänge zeigen, dass jeder Stabmagnet im Vergleich zu seinem Vorgänger stärker um die Kegelachse rotiert. Im Lauf der Zeit verschiebt sich dieses Muster durch den Kristall, analog zur Ausbreitung einer Wasserwelle. Das Energie-Spektrum solcher Spinwellen kann bei vielen Materialien bereits heute mit großer Genauigkeit beschrieben werden.

Eine Spinwelle bewegt sich durch einen Festkörper, bis sie unterbrochen wird, zum Beispiel durch eine andere Spinwelle oder eine atomare Verunreinigung oder einen Kristalldefekt. Als Folge eines solchen Zusammenstosses ändern sich generell Energie und Impuls der Spinwelle. Die Lebensdauer der Spinwelle ist die durchschnittliche Zeit, die eine Spinwelle zurücklegt, bevor sie unterbrochen wird. Durch die Messung der Spinwellenlebensdauer erfährt man also mehr über die Art und Stärke der Wechselwirkungen, welche die Spinwelle erfährt.

Während der vergangenen 40 Jahre hat man zahlreiche theoretische Berechnungen der Spinwellenlebensdauer durchgeführt, unter besonderer Berücksichtigung des Zusammenstoßes mit anderen Spinwellen. Doch bisher war es nicht möglich, diese Voraussagungen experimentell zu testen, da man mit der bisherigen Technik die Lebensdauer nicht ausreichend lang über einen breiten Bereich von Spinwellenimpulsen messen konnte. Deswegen blieb die grundsätzliche Frage, wie Spinwellen miteinander wechselwirken und ob ihre Wechselwirkungen mit den existierenden physikalischen Modellen gut beschrieben werden, unbeantwortet.

“Taumeln“ verrät Lebensdauer


Die Max-Planck-Forscher haben nun eine neue, so genannte "Spin-Echo"-Technik eingeführt, die ein Magnetfeld verwendet, um jene Neutronen zu markieren, die auf die Probe treffen. Die Spins des einfallenden Neutronenstrahls werden gezwungen, rund um das Magnetfeld so zu präzedieren, dass das Maß ihrer Präzession von der Neutronenenergie abhängig ist. Nach der Streuung bewegen sich die Neutronen durch ein zweites Magnetfeld mit entgegen gesetzter Richtung, so dass die Präzessionsbewegung der Spins teilweise wieder rückgängig gemacht wird. Die verbleibende Nettopräzession ergibt dann die Lebensdauer einer Spinwelle.

Mit dieser Technik haben die Forscher nun die Spinwellenlebensdauer in MnF2 an ihrem gerade erst in Betrieb genommenen Neutronenspektrometer TRISP am Forschungsreaktor FRM-II in Garching bei München gemessen. Hierbei entdeckten sie zwei unerwartete Minima in der Spinwellenlebensdauer:. Diese Messergebnisse stellen eine große Herausforderung für die existierenden Spinwellen-Theorien dar; die hohe Auflösung der Messungen und der breite Umfang der Daten erlauben umfassende Vergleiche mit theoretischen Voraussagen. Die Spin-Echo-Technik hat damit ihr großes Potential zur Untersuchung grundlegender Fragen in der Physik magnetischer Verbindungen eindrucksvoll demonstriert. Als nächstes wollen die Forscher damit noch komplexere magnetische Materialien untersuchen.
(MPG, 03.07.2006 - NPO)
 
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