23.03.2011

Phononen oder Magnonen

Auf einer Festkörperoberfläche lässt sich unterscheiden, ob Gitterschwingungen oder Spinwellen angeregt werden.

Auf einer Festkörperoberfläche lässt sich unterscheiden, ob Gitterschwingungen oder Spinwellen angeregt werden.

In einem herkömmlichen Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS)-Experiment an der Oberfläche eines Materials mit magnetischer Ordnung ist nicht zu unterscheiden, ob die eingestrahlten Elektronen Energie verlieren, weil sie eine Gitterschwingung (Phononen) oder eine Spinwelle (Magnonen) anregen. Beide besitzen nämlich ähnliche Anregungsenergien. Um zwischen diesen beiden Elementaranregungen differenzieren zu können, haben nun Physiker vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle die EELS zur spinpolarisierten Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (SPEELS) verfeinert. Dabei bestrahlen sie die Oberfläche eines Materials mit Elektronen und messen, welche Energien die an der Oberfläche gestreuten Elektronen einer bestimmten Spinrichtung aufweisen.

Abb.: Trifft ein Elektron mit Spin-down (rot) auf die Oberfläche eines Materials mit magnetischer Ordnung (kleine blaue Pfeile), regt es eine Spinwelle (Magnon) an und wird durch ein Elektron mit Spin-up (blau) ausgetauscht. (Bild: MPI für Mikrostrukturphysik)

Die Unterscheidung gelang den Forschern in SPEELS-Experimenten an sauerstoffbedeckten Eisenoberflächen. Ob und wie sich der Spin der eingestrahlten Elektronen ändert, wenn diese an der Oberfläche gestreut werden, hängt grundsätzlich davon ab, ob Magnonen oder Phononen angeregt werden. Das stellten die Physiker fest, indem sie die magnetische Oberfläche (das sauerstoffbedeckte Eisen) einerseits mit Elektronen bestrahlten, deren Spins genau wie die Spins dieser magnetischen Oberfläche ausgerichtet waren (Spin = + ½, Spin-up genannt), andererseits mit Elektronen, deren Spins genau entgegengesetzt ausgerichtet waren (Spin = - ½ oder Spin-down). Dann maßen sie die so genannte Spin-Asymmetrie. Das ist im Wesentlichen die Differenz zwischen den zurückgestreuten Spin-down- und Spin-up-Elektronen.

Wird ein Magnon angeregt, so hat das Elektron, das von der Oberfläche wieder zurückgestreut wird, genau den entgegengesetzten Spin wie das zuvor eingestrahlte Elektron. Denn ein Magnon besitzt den Spin 1. Wird es angeregt, verbraucht es also genau die Differenz zwischen Spin-down und Spin-up. Anders ist es, wenn mit Hilfe des Elektrons ein Phonon angeregt wird. Ein Phonon besitzt keinen Spin, aus seiner Sicht ist es also völlig egal, welchen Spin die eingestrahlten Elektronen aufweisen. Daher unterscheiden sich auch die Spinrichtungen von eingestrahltem und gestreutem Elektronenstrahl nicht.

Anhand von Simulationen war es zudem möglich, für die beteiligten Gitterschwingungen zu ermitteln, welche Atomsorte – Eisen oder Sauerstoff – in welcher Richtung schwingt. Die Ergebnisse dieser Simulationen stimmten mit den gemessenen SPEEL-Spektren überein.

MPI für Mikrostrukturphysik / MH

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