Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Ab einem Magnetfeld von 23 Tesla erscheinen zusätzliche Flecken auf dem Neutronendetektor, die etwas über die neue magnetische Ordnung im Kristall verraten.

Ab einem Magnetfeld von 23 Tesla erscheinen zusätzliche Flecken auf dem Neutronendetektor, die etwas über die neue magnetische Ordnung im Kristall verraten. © HZB

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert.  Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das ist nicht der Fall,  im Gegenteil. Bei tiefen Temperaturen unterhalb von 17,5 Kelvin entsteht eine neue innere Ordnung: Etwas in der kristallinen Geometrie ordnet sich neu, was zur Abgabe einer gewissen Wärmemenge führt, die wie ein Fingerabdruck auf die neue Ordnung hinweist, ohne mehr über ihre Natur zu verraten. Bekannt war nur, dass es sich nicht um eine Ordnung mit statischen magnetischen Momenten handelt. Mehr als 1000 Publikationen sind bereits über dieses Thema erschienen, ohne den Schleier zu lüften.

Perfekte Kristalle bei tiefen Temperaturen untersucht

Dennoch lassen sich magnetische Ordnungen auf verschiedene Weise in solchen Proben erzeugen, zum Beispiel durch Dotieren mit Fremdelementen, Druck oder sehr hohen Magnetfeldern. Dies könnte helfen, mehr Licht auf den unbekannten Ordnungszustand zu werfen. Um zumindest diejenigen magnetischen Ordnungen zu untersuchen, die auf der versteckten Ordnung basieren und sich mit extremen Magnetfeldern hervorrufen lassen, haben Physiker aus dem HZB, dem HZDR und den Universitäten in Leiden und Amsterdam, Niederlande, perfekte Kristalle aus U(Ru0.92 Rh0.08)2Si2 bei tiefen Temperaturen und extrem hohen Feldern mit Neutronen untersucht.

Phasenübergang bei 21,6 Tesla: eine neue magnetische Ordnung setzt sich durch

„Die Neutronenstreuexperimente unter extrem hohen Magnetfeldern haben gezeigt, dass es bei etwa 21,6 Tesla wirklich einen neuen magnetischen Phasenübergang gibt“, erklärt Erstautor Dr. Karel Prokeš aus dem HZB. „Das bedeutet, dass sich im Kristall eine neue magnetische Ordnung durchsetzt“. Dabei handelt es sich um eine unkompensierte antiferromagnetische Ordnung, in der die magnetischen Momente der Uran-Atome abwechselnd im Muster up-up-down in entgegengesetzte Richtungen zeigen.

Geschwindigkeitsrekord bei der Publikation

Als Prokeš das gemeinsame Manuskript bei der renommierten Phys.RevB einreichte, erhielt er innerhalb von 19 Minuten eine positive Antwort: Die Arbeit wurde als „Rapid Communication“ publiziert – ein Geschwindigkeitsrekord, der etwas über die Bedeutung dieses Experiments für die Festkörperphysik aussagt.

 

Zur Publikation: Physical Review B (2017): Magnetic structure in a U(Ru0.92Rh0.08)2Si2 single crystal studied by neutron diffraction in static magnetic fields up to 24 T. K. Prokeš, M. Bartkowiak, O. Rivin, O. Prokhnenko, T. Förster, S. Gerischer, R. Wahle, Y.-K. Huang, and J. A. Mydosh

Doi: 10.1103/PhysRevB.96.121117

 

 

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Fermi-Bögen in Antiferromagneten an BESSY II entdeckt
    Science Highlight
    23.03.2022
    Fermi-Bögen in Antiferromagneten an BESSY II entdeckt
    Eine internationale Kooperation hat Proben von NdBi-Kristallen untersucht, die interessante magnetische Eigenschaften aufweisen. Bei ihren Experimenten, darunter Messungen an BESSY II, konnten sie Hinweise auf so genannte Fermi-Bögen im antiferromagnetischen Zustand der Probe bei tiefen Temperaturen finden. Diese Beobachtung wird durch bestehende theoretische Vorstellungen noch nicht erklärt und eröffnet faszinierende Möglichkeiten, diese Art von Materialien für innovative Informationstechnologien zu nutzen, die auf Spins statt auf Elektronen basieren.
  • „Wir sind stolz, dass es geklappt hat“: BESSY und Transregio-SFB zu ultraschneller Spindynamik
    Interview
    14.03.2022
    „Wir sind stolz, dass es geklappt hat“: BESSY und Transregio-SFB zu ultraschneller Spindynamik
    Sonderforschungsbereiche ermöglichen es vor allem den Universitäten, eigene Forschungskapazitäten bis auf internationales Spitzenniveau aufzubauen. Im Transregio-Sonderforschungsbereich 227 Ultrafast Spin Dynamic haben die Freie Universität Berlin und die Universität in Halle-Wittenberg auch das HZB als Partner eingebunden. Dabei nimmt die Slicing-Facility von BESSY II eine zentrale Rolle ein. Mit hervorragenden Ergebnissen aus der ersten Phase hat der Transregio-SFB 227 seine erste Zwischenbegutachtung abgeschlossen und bereitet sich nun auf die kommenden Herausforderungen vor. Ein Gespräch mit den beiden HZB-Physikern Niko Pontius und Christian Schüssler-Langeheine über die Bedeutung von solchen Förderprogrammen für das Forschungsgebiet.
  • Von Dublin nach Berlin mit einem Humboldt-Forschungsstipendium
    Nachricht
    10.03.2022
    Von Dublin nach Berlin mit einem Humboldt-Forschungsstipendium
    Dr. Katarzyna Siewierska kommt als Postdoc-Humboldt-Forschungsstipendiatin in die Gruppe von Prof. Alexander Föhlisch. Sie hat am Trinity College in Dublin, Irland, promoviert und will in den nächsten zwei Jahren an BESSY II die elektronische Struktur und die Spindynamik von halbmetallischen dünnen Filmen untersuchen. Ein besseres Verständnis dieser spintronischen Materialklasse könnte den Weg in eine „grüne“ energieeffiziente Informationstechnologie bereiten.