Nicht alle Kristalle lassen sich zum Ferromagnetismus zwingen

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.2.0131