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Neutronen weisen „Spiral Spin-Liquid“ nach

26. Oktober 2016

Die magnetischen Momente („Spins“) in magnetischen Festkörpern können die verschiedensten Strukturen bilden. Einige davon sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant sondern auch aus technischer, weil sie sich einmal für die Speicherung und Verarbeitung von Daten auf engstem Raum und unter geringem Energieverbrauch eignen könnten.

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 (MnSc2S4) fanden sie bei niedrigen Temperaturen Hinweise auf eine so genannte „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.

Neutron ScatteringLinks: 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.
Copyright: S. Gao + O. Zaharko (Paul Scherrer Institut, Switzerland)

„Spiral Spin-Liquid“-Strukturen waren bereits 2007 vorhergesagt worden. „Ein charakteristisches Merkmal dieses Ordnungstyps ist eine so genannte „spiral surface“ – eine Fläche im reziproken Raum, die regelmäßige spiralige Ausbreitungsvektoren aufweist“, erläutert Dr. Yixi Su, Instrument-Wissenschaftler am Flugzeitspektrometer für diffuse Neutronenstreuung (DNS) einem Instrument des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) an seiner Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. Genau solche Muster konnten jetzt durch den Einsatz polarisierter diffuser Neutronenstreuung am Instrument DNS nachgewiesen werden.

Der Nachweis war nicht einfach; Yixi Su berichtet von den Herausforderungen, die die Forscher überwinden mussten: „Für die Untersuchung benötigten wir Probenmaterial, das frei von Defekten und stöchiometrisch einwandfrei ist. Dies in größeren Mengen herzustellen, ist sehr schwierig. Letztendlich mussten wir mit ungefähr 30 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 „Spiral surface“ ausgereicht".

Originalveröffentlichung:

S. Gao et al.;
Spiral Spin-Liquid and the emergence of a vortex-like state in MnSc2S4
Nature Physics (2016), Published online 24 October 2016, DOI:10.1038/nphys3914

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum

Laboratory for Neutron Scattering and Imaging (LNS) at the Paul Scherrer Institute

Flugzeitspektrometer für diffuse Neutronenstreuung (DNS)

 


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