Supraleiter: Schnelle Elektronen verwischen das magnetische Moment

Bei der Bestimmung der magnetischen Eigen­schaften eines Materials tritt ein Problem auf: Das magnetische Moment an einem bestimmten Ort kann sich sehr schnell ändern. Forscher brauchen daher Messmethoden, mit denen sie diese Fluktuationen zeitlich auflösen können. Ausgehend von diesem Grund­gedanken gelang es einem Forscher­team der TU Wien und der Uni Würzburg, ein Rätsel der Fest­körper­physik zu lösen: Warum liefern unter­schied­liche Messungen von Material­eigen­schaften manchmal unter­schied­liche Ergebnisse?

„Wenn man ein Material verstehen möchte, muss man seine magnetischen Eigen­schaften verstehen“, erläutert Alessandro Toschi von der TU Wien. „Sie sagen uns nicht nur, wie das Material auf Magnet­felder reagiert, sie hängen auch eng mit anderen Eigen­schaften des Materials zusammen – zum Beispiel mit seinem elektrischen Verhalten.“ Besonders für die Suche nach Hoch­temperatur-Supra­leitern spielen magnetische Material­eigen­schaften eine wichtige Rolle.

Allerdings stellen Wissen­schaftler man immer wieder fest, dass unter­schied­liche Messungen des Magnetismus bestimmter Materialien zu unter­schied­lichen Ergebnissen führten. „Manchmal erhielt man gar keine sinn­vollen Ergebnisse, manchmal führten unter­schied­liche Messmethoden zu wider­sprüch­lichen Daten“, sagt Team-Mitglied Clemens Watzenböck. „Dieses Rätsel konnten wir nun mit rein theoretischen Berechnungen lösen.“

Das konnte zeigen, dass die Beweglich­keit der Elektronen im Material darüber entscheidet, mit welchen Methoden sich die magnetischen Eigen­schaften messen lassen. „Der Spin der Elektronen im Material verursacht ein magnetisches Moment, das ganz spontan fluktuiert. Diese magnetischen Fluktuationen entstehen durch die natürliche Bewegung der Elektronen. Daher kann das magnetische Moment durch die Bewegung der Elektronen auch rasch wieder ausgeglichen werden“, erklärt Toschi. „Je schneller sich die Elektronen im Inneren des Materials bewegen können, umso schneller können sie auch das Auftreten eines magnetischen Moments unsichtbar machen.“

Das bedeutet: Wenn es im Material einen Prozess gibt, der die Elektronen bremst – etwa eine starke Streuung mit anderen Elektronen oder mit den vibrierenden Atomen des Materials, sodass sie sich nicht mehr besonders schnell im Kristall bewegen können – dann bleibt das entsprechende magnetische Moment deutlich länger messbar.

„Wir haben eine Methode entwickelt mit der man, durch verfeinerte theoretische Analysen und numerische Simulationen herausfinden kann, auf welcher typischen Zeitskala die magnetischen Momente in einem bestimmten Material abgeschirmt werden“, erklärt Watzenböck. Nur wenn man eine Messmethode hat, die auf einer kürzeren Zeitskala ein Ergebnis liefert, bleibt das magnetische Moment messbar. Dauert die Messung länger, erhält man nur ein Durch­schnitts­ergebnis.

Diese Herangehens­weise konnte das Forscher­team auf die besonders wichtige Material­klasse der eisen­basierten Supraleiter anwenden. „Wir konnten zeigen, dass sich die charakte­ristische Zeitskala der magnetischen Fluktua­tionen bei diesen Supra­leitern je nach Material um eine Größen­ordnung unter­scheidet – sie reicht von ungefähr drei bis zu etwa 30 Femto­sekunden“, so Watzenböck.

Das erklärt, warum die Ergebnisse von inelastischen Neutronen­experimenten bei manchen Materialen gut inter­pretierbar sind und bei anderen nicht: Die Zeitskala solcher Neutronen-Experimente liegt bei etwa zehn Femto­sekunden. Kurz genug für manche Materialien, aber zu lang für andere. Wenn man hingegen andere Messmethoden einsetzt, etwa Röntgen­spektro­skopie, die auf kürzerer Zeitskala abläuft, sollte das magnetische Moment all dieser Materialien gut sichtbar bleiben.

Die neuentwickelte Methode, charakteristische Zeitskalen von Materialien zu berechnen, kann nicht nur auf magnetische Eigen­schaften angewandt werden, sondern auch auf andere wichtige Material­eigen­schaften. „Wir gehen davon aus, dass unsere neue Methode in Zukunft sehr nützlich sein wird, um verschiedenste spektro­skopische Experimente zu planen und richtig zu inter­pretieren“, sagt Toschi. „Auf diesem Gebiet gibt es noch viele offene Fragen – mit unserer Methode wollen wir nun die Physik bekannter Materialien besser verstehen und sogar die Suche nach neuen, besseren Materialien, wie Supra­leitern mit hohen kritischen Temperaturen, erleichtern.“

TU Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Watzenböck et al.: Characteristic Timescales of the Local Moment Dynamics in Hund’s Metals, Phys. Rev. Lett. 125, 086402 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.086402
• FG Toschi, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Wien, Österreich