Magnetfelder für perfekte Einkristalle

Für die Unter­suchung neuer Materialien, wie etwa Hoch­temperatur­supraleiter, ist es in vielen Fällen wichtig, Messungen entlang unter­schiedlicher Richtungen im Kristall­gitter vornehmen zu können. Dies setzt aber Kristalle ohne interne Verdrehungen oder Verzwil­ligungen voraus. Die derzeit intensiv unter­suchten Eisenpniktid­supraleiter zeigen Zwillings­domänen, die bislang nur durch Anlegen eines hohen Druckes vermieden werden konnten. Das ist technisch sehr aufwendig und schränkt die Untersuchungs­möglichkeiten stark ein. So werden etwa in mit Europium-Momenten prä­parierten Eisen­pniktidsupra­leitern Zwillings­domänen mit kleinen Magnet­feldern so verschoben, dass perfekte Entzwil­ligung erreicht wurde. Dass dieser über­raschende und neuartige Effekt auf einer speziellen magne­tischen Wechsel­wirkung zwischen den magne­tischen Momenten von Europium und Eisen basiert, zeigen nun die Augs­burger Physiker Philipp Gegen­wart, Jannis Maiwald und Igor I. Mazin vom Naval Research Laboratory in Washington.

Die meisten Ausgangs­verbindungen moderner Hochtemperatur­supraleiter, der Eisen­pniktide, weisen einen Phasen­übergang auf, bei dem sich die Kristall­struktur innerhalb der tetra­gonalen Ebene verzerrt. Diese Verzerrung führt zur Bildung von Zwillings­domänen auf Mikro­meter-Skala, durch die die Richtungs­abhängigkeit wichtiger physi­kalischer Eigen­schaften verschleiert wird. Vor drei Jahren bereits haben Physiker der Univer­sitäten Augsburg, Göttingen, Stuttgart und San Diego einen bemerkens­werten Effekt in der Verbindung EuFeAs entdeckt: Durch Anlegen kleiner Magnet­felder kann man Kristall­gitter­domänenwände bei tiefen Tempera­turen verschieben und so einen entzwil­lingten Zustand erreichen. In wach­senden Magnet­feldern kann sogar mehrfach zwischen verschiedenen Kristall­ausrichtungen hin- und herge­schaltet werden.

Dieser Effekt ermöglicht es, die Richtungs­abhängigkeit der Eigen­schaften, die als Schlüssel zum Verständnis der Hoch­temperatursupra­leitung gilt, besser zu untersuchen. Es bedarf hierzu aller­dings einer stich­haltigen Erklärung, wodurch dieser Effekt bewirkt wird. Maiwald, Mazin und Gegenwart liefern eine solche Erklärung nun in Form einer umfas­senden quanti­tativen Beschreibung dieser sehr ungewöhn­lichen Kopplung zwischen Kristall­gitter und ange­legtem Magnetfeld: Die unter­suchte Verbin­dung EuFeAs besitzt zwei Sorten magne­tischer Momente, die einerseits von stark loka­lisierten 4f-Orbitalen der Europium­atome und anderer­seits von vorwiegend delokalisierten 3d-Orbitalen der Eisen­atome stammen. Da Eisen­pniktide ohne Europium-Momente kein vergleich­bares Verhalten zeigen, liegt es auf der Hand, dass die Europium-Momente eine wichtige Rolle bei der Entzwil­ligung spielen. Deren Kopplung an das Kristall­gitter ist allerdings viel zu schwach, um die Beobach­tungen zu erklären.

Der ent­scheidende Punkt bei der theore­tischen Beschreibung war daher die Model­lierung der Wechsel­wirkung zwischen den Europium- und Eisen-Momenten. Aufgrund der symme­trischen Anord­nung der Momente in EuFeAs scheidet die normale, lineare Heisen­berg-Kopplung aus. „Erst durch die Einführung einer kleinen bi-quadra­tischen Kopplung, welche die Parallel­stellung von Europium- und Eisen­momenten begünstigt, ist es uns gelungen, die experimen­tellen Beobach­tungen zu verstehen und quanti­tativ exakt zu beschreiben“, berichtet Gegenwart.

Die neue Theorie sagt – über die Beschreibung der bis­herigen experimen­tellen Beobach­tungen hinaus – für sehr hohe Magnet­felder weitere schlag­artige Änderungen der Kristall­ausrichtung in der Verbindung EuFeAs voraus. Erste Anzeichen hierfür habe man bereits beo­bachten können. „Generell“, so Gegen­wart, „ermög­licht die magnetfeld­induzierte Ent­zwilligung eine Reihe neuer Unter­suchungs­methoden zum Studium der richtungs­abhängigen Eigen­schaften von Hoch­temperatur-Supra­leitern. Damit ergeben sich neue Möglich­keiten, ein verbes­sertes Verständnis dieser faszi­nierenden Materia­lien zu erlangen.“

U. Augsburg / JOL