Ordnung in Kristallen sichtbar machen
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Die Kristallstruktur eines Materials ist die Anordnung der Atome, aus denen es besteht. Die genaue Anordnung bestimmt auch die Eigenschaften des Materials. Ein einfaches Beispiel ist Kohlenstoff: Er kommt in zwei kristallinen Formen vor: Graphit und Diamant. Während Diamanten isolierend wirken, kann Graphit Elektrizität leiten, einfach aufgrund einer anderen Anordnung und Bindung der Kohlenstoffatome, aus denen sein Kristallgitter besteht.
Winzige Magnete in Kristallen?
Das gleiche Prinzip gilt für Kristalle mit einer komplexeren Struktur und Bindung, bei denen die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der Regel komplizierter sind. Das ist bei der Materialgruppe der Fall, zu der das CePdAl3-System gehört, das Forscher des MLZ und von Partnerinstituten jetzt untersucht haben. Der Erstautor der Arbeit, Dr. Michał Stękiel vom Forschungszentrum Jülich am MLZ, berichtet: “Da die technologischen Anforderungen uns dazu drängen, komplexe Arten der magnetischen Ordnung in Kristallen zu untersuchen, wollten wir herausfinden, welche strukturellen Eigenschaften es CePdAl3 überhaupt ermöglichen, magnetische Ordnung zu entwickeln.”
Die magnetische Ordnung beschreibt die Beziehung zwischen den magnetischen Momenten der einzelnen Atome. Vereinfacht gesagt, werden die magnetischen Momente als winzige Magnete behandelt und können als Kompassnadeln betrachtet werden, die die Richtung der von den einzelnen Atomen erzeugten Magnetfelder anzeigen. In ferromagnetischen Materialien zum Beispiel sind sie in die gleiche Richtung ausgerichtet, in vielen anderen sind sie komplexer oder sogar chaotisch.
Neutronen enthüllen die magnetische Ordnung
Mit Neutronen an den Diffraktometern HeiDi und DNS am MLZ und dem Flugzeitspektrometer PANTHER am französischen Institut Laue-Langevin (ILL) konnten die Forscher die Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome in den CePdAl3-Kristallen bestimmen.
“Wir wussten, dass tetragonales CePdAl3 keine einheitliche magnetische Ordnung entwickeln kann. Die magnetische Struktur ist frustriert, und die Atome blockieren sich gegenseitig, um ihre magnetischen Momente sozusagen bequem auszurichten”, erklärt Michał Stękiel. “Mit dem Übergang zu einer orthorhombischen Struktur haben wir jedoch festgestellt, dass die magnetischen Momente bequemer ausgerichtet sind und eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen.”
Fortschritt in kleinen Schritten
Während diese Ergebnisse auf den ersten Blick sehr technisch erscheinen, fährt Michał Stękiel fort: “Im Laufe dieser Arbeit haben wir die Methoden, die wir zur Untersuchung der magnetischen und elektrischen Felder in Kristallen verwenden, überarbeitet. Wir haben ein neues Werkzeug entwickelt, mit dem wir die riesigen Datenmengen, die wir durch Messungen mit Spektrometern erhalten, besser auswerten können.
Originalpublikation:
M. Stekiel, P. Čermák, C. Franz, M. Meven, D. Legut, W. Simeth, U. B. Hansen, B. Fåk, S. Weber, R. Schönmann, V. Kumar, K. Nemkovski, H. Deng, A. Bauer, C. Pfleiderer, and A. Schneidewind
Long-range magnetic order in CePdAl3 enabled by orthorhombic deformation
Phys. Rev. Research 6, 023117 (2024)
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023117
Mehr Informationen:
Diese Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unter den Projektnummern 323760292 (Mehrkomponentige Elektronische Korrelationen in Nicht-Zentrosymmetrischen f-Elektron-Verbindungen), TRR80 (From Electronic Correlations to Functionality, Projektnummer. 107745057), TRR360 (Constrained Quantum Matter, Project No. 492547816), SPP2137 (Skyrmionics, Project No. 403191981, Grant No. PF393/19), und das Exzellenzcluster MCQST im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie EXC-2111 (Project No. 390814868). Finanzielle Unterstützung kam auch vom Europäischen Forschungsrat (ERC) durch die Advanced Grants Nr. 291079 (TOPFIT) und Nr. 788031 (ExQuiSid), von der tschechischen Wissenschaftsstiftung GAČR durch die Junior Star Grants Nr. 21-24965M (MaMBA) für P.C. und Nr. 22-35410K für D.L., Projekt QM4ST Nr. CZ.02.01.01/00/22_008/0004572 und Nr. e-INFRA CZ(ID:90254) von MEYS der Tschechischen Republik.