14.02.2020

Wider den Ferromagnetismus

Uranverbindung unter extrem hohen Magnetfeldern mit Neutronen untersucht.

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 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf HZDR. Untersucht wurden Kristalle aus U2Pd2In, die eine besondere Klasse der Festkörper bilden, die Shastry-Sutherland-Systeme.

Abb.: Bei 25,8 Tesla findet in dem Uran­kristall ein Phasen­übergang statt...
Abb.: Bei 25,8 Tesla findet in dem Uran­kristall ein Phasen­übergang statt und ein komplexes magne­tisches Muster etabliert sich. (Bild: HZB)

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 Karel Prokes vom HZB. „Erstens zeigen sie, dass nicht alle Materialien eine ferro­magnetische Ordnung oberhalb eines kritischen Feldes 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“.

HZB / JOL

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