Nicht alle Kristalle lassen sich zum Ferromagnetismus zwingen
Bei 25,8 Tesla findet in dem Urankristall ein Phasenübergang statt und ein komplexes magnetisches Muster etabliert sich. © HZB
Mit einem äußeren Magnetfeld lassen sich normalerweise die winzigen magnetischen Momente in Festkörpern entlang des Außenfeldes ausrichten – so dass die Probe schließlich ferromagnetisch wird. Doch das trifft nicht auf jedes Material zu. Ein Team hat nun Kristalle aus einer Uranverbindung unter extrem hohen Magnetfeldern mit Neutronen untersucht und ein deutlich komplexeres Verhalten beobachtet. Die Experimente fanden am Hochfeldmagneten an der Neutronenquelle BER II des HZB statt, der ein konstantes Magnetfeld von bis zu 26 Tesla erzeugt. Dies ist etwa 500.000mal stärker als das Erdmagnetfeld. Weitere Experimente mit gepulsten Magnetfeldern bis zu 45 Tesla wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt.
Wenn das Magnetfeld hoch genug wird und eine gewisse kritische Schwelle überschreitet, kann jedes Material ferromagnetisch werden – diese Annahme galt bislang als richtig. Doch sie ist es nicht. Dies zeigen nun Experimente am Hochfeldmagneten der Berliner Neutronenquelle BER II und mit gepulsten Magnetfeldern am HZDR. Untersucht wurden Kristalle aus U2Pd2In, die eine besondere Klasse der Festkörper bilden (Shastry-Sutherland-Systeme). Die Wechselwirkungen zwischen den Uran-Atomen sind hier recht komplex. Dies liegt vor allem an den ausgedehnten 5f-Orbitalen der äußersten Elektronen des Urans im Festkörper. Diese 5f-Elektronen sind auch Träger der magnetischen Momente im Material.
Der Befund bei steigendem Magnetfeld: Oberhalb von 25,8 Tesla richten sich die magnetischen Momente nicht weiter entlang des Magnetfeldes aus, sondern formieren sich zu einer neuen Ordnung. Dadurch entsteht eine Überstruktur im Kristall. Das magnetische Muster aus 80 Spins wiederholt sich erst nach zwanzig kristallographischen Einheitszellen. Ein Grund für dieses Verhalten könnte darin liegen, dass verschiedene, starke Wechselwirkungen im Gitter gegeneinander arbeiten und sich ihr Kräfteverhältnis mit dem Feld verschiebt. „Unsere Ergebnisse sind aus zwei Gründen wichtig“, sagt Dr. Karel Prokes vom HZB. „Erstens zeigen sie, dass nicht alle Materialien eine ferromagnetische Ordnung oberhalb eines kritischen Feld bilden und zweitens erlauben sie einen Einblick in die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Uran-Atomen und können dadurch helfen, genauere Theorien über 5f-Elektronensysteme zu entwickeln“.
Phys. Rev. Research (2020): Noncollinear magnetic structure in U2Pd2In at high magnetic fields.
K. Prokeš, M. Bartkowiak, D. I. Gorbunov, O. Prokhnenko, O. Rivin, and P. Smeibidl
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013137
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.