Neutronen weisen „Spiral Spin-Liquid“ nach
Benachbarte Spins fluktuieren gemeinsam in Form von Spiralen.
Die magnetischen Momente – Spins genannt – in magnetischen Festkörpern können die verschiedensten Strukturen bilden. Einige davon sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant sondern auch aus technischer, weil sie sich für die Speicherung und Verarbeitung von Daten auf engstem Raum und unter geringem Energieverbrauch eignen könnten.
Abb.: Links: Theoretische Vorhersage einer „spiral surface“ (grau). Der rote Ring markiert einen Schnitt entlang einer zweidimensionalen Fläche im reziproken Raum. Rechts: Messdaten diffuser Neutronenstreuuntersuchungen dieser Fläche bei niedrigen Temperaturen. (Bild: S. Gao & O. Zaharko, PSI).
Ein Team von Forschern aus der Schweiz, Deutschland, Moldawien und Frankreich hat nun die Existenz einer neuen spiralförmigen Magnetstruktur nachgewiesen: In Mangan-Scandium-Thiospinel-Einkristallen fanden sie bei niedrigen Temperaturen Hinweise auf eine „Spiral Spin-Liquid“-Struktur. Benachbarte Spins fluktuieren hierbei gemeinsam in Form von Spiralen, bilden aber über größere räumliche Entfernung keine Ordnung aus, ähnlich wie Wassermoleküle nur kurz- und keine weitreichenden Strukturen bilden.
Die Existenz von „Spiral Spin-Liquid“-Strukturen waren bereits 2007 vorhergesagt worden. „Ein charakteristisches Merkmal dieses Ordnungstyps ist eine Fläche im reziproken Raum, die regelmäßige spiralige Ausbreitungsvektoren aufweist“, erläutert Yixi Su vom FZ Jülich. Genau solche Muster konnten jetzt durch den Einsatz polarisierter diffuser Neutronenstreuung am Instrument DNS nachgewiesen werden.
Der Nachweis war nicht einfach. Su berichtet von den Herausforderungen, die die Forscher überwinden mussten: „Für die Untersuchung benötigten wir Probenmaterial, das frei von Defekten und stöchiometrisch einwandfrei ist. Das in größeren Mengen herzustellen, ist sehr schwierig. Letztendlich mussten wir mit ungefähr dreißig Milligramm auskommen. Da Messungen am DNS mit hoher Zählrate, geringem Untergrund und mit einer Polarisierungsanalyse, möglich sind, hat diese geringe Menge trotzdem für den direkten Nachweis der Spiralen ausgereicht.“
FZJ / RK
