Nicht alle Kristalle lassen sich zum Ferromagnetismus zwingen

Mit einem äußeren Magnetfeld lassen sich normalerweise die winzigen magnetischen Momente in Festkörpern entlang des Außenfeldes ausrichten – so dass die Probe schließlich ferromagnetisch wird. Doch das trifft nicht auf jedes Material zu. Ein Team hat nun Kristalle aus einer Uranverbindung unter extrem hohen Magnetfeldern mit Neutronen untersucht und ein deutlich komplexeres Verhalten beobachtet. Die Experimente fanden am Hochfeldmagneten an der Neutronenquelle BER II des HZB statt, der ein konstantes Magnetfeld von bis zu 26 Tesla erzeugt. Dies ist etwa 500.000mal stärker als das Erdmagnetfeld. Weitere Experimente mit gepulsten Magnetfeldern bis zu 45 Tesla wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt. 

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 HZDR. Untersucht wurden Kristalle aus U₂Pd₂In, die eine besondere Klasse der Festkörper bilden (Shastry-Sutherland-Systeme). 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 Dr. Karel Prokes vom HZB. „Erstens zeigen sie, dass nicht alle Materialien eine ferromagnetische Ordnung oberhalb eines kritischen Feld 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“.

Phys. Rev. Research (2020): Noncollinear magnetic structure in U₂Pd₂In at high magnetic fields.

K. Prokeš, M. Bartkowiak, D. I. Gorbunov, O. Prokhnenko, O. Rivin, and P. Smeibidl

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013137