Spins Do -Experimenteller Magnetismus

Transkript

1 Spins Do -Experimenteller Magnetismus Martin Valldor IBM-Ahmed 1

2 Neutronen treffen auf Elektronen elastisch 2

3 Fission Das Neutron die Quelle Spallation 89 Kr 36 1 n U Ba 56 1 n 0 1 n 0 1 n 0 1 p + 1 hohe Energie! 1 n 0 1 n 0 1 n 0 Tantal oder Uran Die Gefahren: Primär direkte Strahlung Sekundär Stoffe werden aktiviert und können dann in den eigenen Körper landen 3

4 Das Neutron Spin ½ Teilchen Ladung = 0 Dipolmoment: n N n / e m e /m p = 1/2000 e m p Wechselwirkung mit Materie: (nicht geladen!) Elektronen Magnetisches Dipol Proton+Neutron = Kern Elektronen Was könnte passieren wenn trotzdem ein Neutron ein Elektron trifft? 4

5 Die Streuung von Neutronen An Kernen b k koherent b ik inkoherent V ( r) 2 m b b k n 2 b ( r) b b k ib ik 2b i I( I 1) s I r Kernspin I I = 0 I 0 2 b = b k s 4 b b ist kompex und hängt von der relativen Ausrichtung der Neutronspin zu Kernspin ab An magnetischen Dipolen (in kolinearer Struktur) + I M Instrument C Bei Pulvermessungen -die Multiplizität T ˆ Mˆ F B 2 e 2mc e-pol zu n-pol Wechselwirkung Winkelabhängigkeit der Intensität 2 2 M Strukturfaktor F M e-pol zu n-pol Orientierungsfaktor N j1 z Magnetischer-Formfaktor j f j e Wj e Gemittelte Spinausrichtung irj Debye-Waller-faktor - Position von magnetischem Spin Also kompliziert aber machbar Neutronen sehen Spin-Spin Korrelationen im Bereich Å die Zeitskala ist etwa 10-9 bis sekunden 5

6 Streufaktor von Neutronen vereinfacht R.Latham, J.M. Cassels Nature 161 (1948) 283 Pb 1 barn = cm 2 Streulenge ist fast wie mittlere Streulenge in Leitfähigkeit (femto-meter): Wirkungsquerschnitt: Anzahl gestreute Neutronen pro Zeit Anzahl reingeschossene Neutronen 1 neut. Zeit 1 neut. Zeit Fläche tot 1 Fläche Isotop-abhängig Neutronspin para oder antipara zu Kernspin geben unterscheidlichen Streufaktoren Die Streufaktoren (Inelastizität einberechnet) sind von der Energie des Neutron abhängig 6

7 Andere Kontraste Neutronen werden von H gut gestreut Rose im Pb-Behälter 7

8 Das Neutron Polarisierte Quelle Magnetische Schicht (z.b. 111 Cu 2 MnAl oder 200 Co 0.92 Fe 0.08, bandmagnet mit polarizierten Ladungsträgern) Einkristall in Bragg-Winkel b b k ib ik 3 He( ) Abhängig von Neutronenspin zu Kernspin b ( ) = b k 0 = b k b ( ) = b k b ik = 0 (b k = b ik ) 8

9 Das Neutron Manipulation von der Polarisation B-Feld Wovon hängt die Drehung ab? Flipper Bv n n B aktiv B Spule Wie kann man es genau einstellen dass eine Halbe Larmor-Präzission geschiet? 9

10 Streuprozesse Kern I = 0 Kern I 0 2/3 +1/3 Magnetische Spin-Flip Streuung: N B ( I )Q J 0, Q J 0, Q 10 frei intepretiert nach Vorlesung von W. Schweika, FZ-Jülich

11 a Ein klassischer Aufbau mit Polarisation b c d a Nicht polarisierte Neutronen b Polarisierte Neutronen c Polarisation Manipulieren (+)(-) Aus d-e-f Spin Drehen g Polarisation Manipulieren (+)(-) Aus An h Analyse nach Polarisation (+) Q e g h f Wenn P Q : Magnetische Streuung ist Spin-Flip (SF) Wenn PQ : Magnetische Streuung ist teils Spin-Flip (SF) teils nicht-spin-flip (NSF) Moon, et al. Phys. Rev. 181 (1969)

12 Flipper an/aus Kern-Streuung Paramagnetische Streuung Moon, et al. Phys. Rev. 181 (1969)

13 Magnetischer Ordnungsparameter Neutronen-Bragg-Intensität Ordnungsparameter 1 M s /M 0 J.W. Lynn, et al. Phys. Rev. Lett.63 (1993) 5369 T/T C(N) 1 13

14 Diffuse Streuung - Koherenzlenge Untergrund Intensität büntelt sich beim Übergang in Bragg-Peaks danach ist der Untergrund geringer. Kurzrechtweitiger ordnung Amorphe Peaks Koherenzlenge 1/HWHM DQ = 2/d 0.1 Å -1 Koherenz 10 Å 14

15 Temperatur (K) Temperaturabhängigkeit der Neutrondaten 2 Theta (Grad) Magnetisches Moment I 15 Danke an A. Senyshyn, FRMII

16 1D-Kristall und sein Streuvermögen Realer Raum Reciproker Raum Kern Bragg Intensitäten Magnetische Bragg Intensitäten überlappen Kernstreuung Magnetische Bragg Intensitäten überlappen Kernstreuung und erzeugen Überstruktur Magnetische Bragg Intensitäten und Kernstreuung Magnetische Bragg Intensitäten und Kernstreuung Magnetische Bragg Intensitäten und Kernstreuung Nur Kernstreuung Magnetische+Kernstreuung Nur magnetische Streuung Magnetische Satellit-Intensitäten und Kernstreuung Orginal von Rob McQueeney, Ames Laboratory 16

17 Einfache Antiferromagnete mit k-vektoren A-Typ k-vektor? C-Typ k-vektor? G-Typ k-vektor? Welche Magnetische Intensität wird auf jeden Fall stark sein in der Neutronenbeugung? 17

18 Magnetische Strukturen MnO A,C oder G Typ? The Nobel Prize in Physics hat Clifford G. Shull Antiferromagnetismus in MnO dargestellt 18

19 Magnetische Strukturen G-typ! Die Richtung der Spin kann unterschiedlich sein obwohl der k-vektor gleich ist W.L. Roth Phys. Rev. 110 (1958) 1333

20 Ein letztes Beispiel 20

21 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

22 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

23 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

24 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

25 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

26 GdCu 2 T N = 42 K M [010] k = (2/3 1 0) Magnetic Structure from Neutron Scattering Rotter et.al. J. Magn. Mag. Mat. 214 (2000)

27 Zusammenfassung Neutronen ist der beste Weg um den Magnetismus zu verstehen, zumindest in seinem geordneten oder teilgeordneten Zustand. Durch Polarisation von Neutronen ist es möglich Kernstreuung von Magnetstreuung zu trennen. Der k-vektor im reziproken Raum entspricht der Periodizität der Spin- Komponenten im reelen Raum (vergleichbar mit einer magnetischen Elementarzelle ) Streuung von magnetischen Ferro -Komponenten überlappen mit Kernstrukturreflexen. Intensität von Antiferro -Komponenten können auch zwischen den Kerstrukturreflexen auftreten. Der Ordnungsparameter von Neutronstreuung ist der gleiche, der in der magnetischen Suszeptibilität beobachtet wird. Aus der Neutronen-Streudaten bekommt man die Grösse, die Richtung, und die Position vom Spin in der Struktur. 27

28 Dies ist das Ende vom Spins-do Magneto Marvel/Disney 28