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
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.