Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neutronenforschung: Magnetische Monopole in Kagome-Spin-Eis-Systemen nachgewiesen

08.04.2020

Magnetische Monopole sind eigentlich unmöglich. Bei tiefen Temperaturen können sich jedoch in bestimmten Kristallen so genannte Quasiteilchen zeigen, die sich wie magnetische Monopole verhalten. Nun hat eine internationale Kooperation nachgewiesen, dass solche Monopole auch in einem Kagome-Spin-Eis-System auftreten. Ausschlaggebend waren unter anderem auch Messungen mit inelastischer Neutronenstreuung am Instrument NEAT der Berliner Neutronenquelle BER II*. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Magnetische Monopole wurden weltweit erstmals 2008 an der Berliner Neutronenquelle nachgewiesen. Damals handelte es sich um ein eindimensionales Spinsystem in einer Dysprosium-Verbindung.


In HoAgGe besetzten Holmium-Spins die Ecken von Dreiecken, die zu einem Kagome-Muster geordnet sind. Die Ausrichtung benachbarter Spins (links, rote Pfeile) muss dabei der Eisregel gehorchen: Entweder ragen zwei Spins in ein Dreieck hinein und eins hinaus oder umgekehrt. Als Resultat verhalten sich die einzelnen Dreiecke, als wären sie magnetische Monopole (rechts).

© Uni Augsburg

Vor rund 10 Jahren konnten Monopol-Quasiteilchen auch in zwei-dimensionalen Spin-Eis-Materialien nachgewiesen werden, die aus tetraedrischen Kristall-Einheiten bestanden. Diese Spin-Eis-Materialien waren jedoch elektrische Isolatoren.

Dr. Kan Zhao und Prof. Philipp Gegenwart von der Universität Augsburg haben nun zusammen mit Teams aus dem Heinz-Meier-Leibnitz-Zentrum, dem Forschungszentrum Jülich, der University of Colorado, der Akademie der Wissenschaften in Prag sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin erstmals gezeigt, dass auch eine metallische Verbindung solche magnetischen Monopole ausbilden kann.

Das Team in Augsburg stellte dafür kristalline Proben aus den Elementen Holmium, Silber und Germanium her. In den HoAgGe-Kristallen bilden die magnetischen Momente (Spins) der Holmium-Atome ein so genanntes zweidimensionales Kagome-Muster.

Dieser Name kommt von der japanischen Kagome-Flechtkunst, bei der die Flechtbänder nicht rechtwinklig miteinander verwoben sind, sondern so, dass sich dreieckige Muster bilden.

Im Kagome-Muster können sich die Spins benachbarter Atome nicht wie üblich jeweils gegenläufig zueinander ausrichten. Stattdessen gibt es zwei zulässige Spin-Konfigurationen: Entweder zeigen die Spins von zwei der drei Atome genau zum Dreiecks-Zentrum, die des dritten dagegen aus dem Zentrum heraus. Oder es ist genau umgekehrt:

Ein Spin zeigt zum Zentrum, die beiden anderen aus ihm heraus. Dies beschränkt die Möglichkeiten der Spin-Anordnungen – daher auch der Name „Kagome-Spin-Eis.“ Eine Folge davon ist, dass sich dieses System so verhält, als ob in ihm magnetische Monopole vorliegen würden.

Dieses Verhalten konnte nun die Kooperation um die Augsburger Forscher erstmals auch experimentell in HoAgGe-Kristallen nachweisen. Sie kühlten die Proben stark ab und untersuchten sie unter verschieden starken, äußeren Magnetfeldern. Einen Teil der Experimente führten die Wissenschaftler am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching bei München durch. Dabei wurden sie von der Abteilung Probenumgebung des HZB unterstützt, die einen supraleitenden Kryomagneten für die Experimente am FRM-II zur Verfügung stellte.

So konnten sie unterschiedliche Spin-Anordnungen erzeugen, die in einem Kagome-Spin-Eis erwartet werden. Modellrechnungen aus dem Augsburger Forschungsteam zeigten, wie das Energiespektrum der Spins aussehen sollte. Dieses Energiespektrum der Spins konnte dann mit der Methode der inelastischen Neutronenstreuung am Instrument NEAT an der Berliner Neutronenquelle vermessen werden.

„Das war der letzte Baustein für den Nachweis der magnetischen Monopole in diesem System. Die Übereinstimmung mit den theoretisch vorhergesagten Spektren ist wirklich sehr groß“ sagt Dr. Margarita Russina, die am HZB für das NEAT-Instrument verantwortlich ist.

* Die Berliner Neutronenquelle wurde im Dezember nach 46 Jahren erfolgreichen Betriebs 2019 planmäßig abgeschaltet. Bis dahin wurde die Messzeit optimal für die Forschung genutzt.

Originalpublikation:

Die Arbeit wurde in Science (2020) publiziert:

FRUSTRATED MAGNETISM - Realization of the kagome spin ice state in a frustrated intermetallic compound; Kan Zhao, Hao Deng, Hua Chen, Kate A. Ross, Vaclav Petricek, Gerrit Günther, Margarita Russina, Vladimir Hutanu, Philipp Gegenwart

DOI: 10.1126/science.aaw1666

Dr. Antonia Rötger | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Weitere Informationen:
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=21231;sprache=de;seitenid=1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein Schritt auf dem Weg zum Spektrometer für jedermann
03.06.2020 | Universität Leipzig

nachricht Der gebrochene Spiegel: Erstmals Messung der Paritätsverletzung in Molekülen möglich?
03.06.2020 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Magnetische Kristallschichten für den Computer von Morgen

Ist die Elektronik, so wie wir sie kennen, am Ende?

Der Einsatz moderner elektronischer Schaltkreise für immer leistungsfähigere Rechentechnik und mobile Endgeräte stößt durch die zunehmende Miniaturisierung in...

Im Focus: K-State study reveals asymmetry in spin directions of galaxies

Research also suggests the early universe could have been spinning

An analysis of more than 200,000 spiral galaxies has revealed unexpected links between spin directions of galaxies, and the structure formed by these links...

Im Focus: Neue Messung verschärft altes Problem

Seit Jahrzehnten rätseln Astrophysiker über zwei markante Röntgen-Emissionslinien von hochgeladenem Eisen: ihr gemessenes Helligkeitsverhältnis stimmt nicht mit dem berechneten überein. Das beeinträchtigt die Bestimmung der Temperatur und Dichte von Plasmen. Neue sorgfältige, hoch-präzise Messungen und Berechnungen mit modernsten Methoden schließen nun alle bisher vorgeschlagenen Erklärungen für diese Diskrepanz aus und verschärfen damit das Problem.

Heiße astrophysikalische Plasmen erfüllen den intergalaktischen Raum und leuchten hell in Sternatmosphären, aktiven Galaxienkernen und Supernova-Überresten....

Im Focus: New measurement exacerbates old problem

Two prominent X-ray emission lines of highly charged iron have puzzled astrophysicists for decades: their measured and calculated brightness ratios always disagree. This hinders good determinations of plasma temperatures and densities. New, careful high-precision measurements, together with top-level calculations now exclude all hitherto proposed explanations for this discrepancy, and thus deepen the problem.

Hot astrophysical plasmas fill the intergalactic space, and brightly shine in stellar coronae, active galactic nuclei, and supernova remnants. They contain...

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Magnetische Kristallschichten für den Computer von Morgen

03.06.2020 | Informationstechnologie

Wundheilung detailliert aufgeschlüsselt

03.06.2020 | Biowissenschaften Chemie

Ein einzelnes Gen bestimmt das Geschlecht von Pappeln

03.06.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics