Echte Symmetrieänderung oder nur Querschläger?

Umweg-Anregung Dr. Andrew Sazonov untersuchte mit dem Instrument HEiDi die multiferroische Verbindung Ba[~2~]CoGe[~2~]O[~7~]. © Sebastian Mast

Dr. Andrew Sazonov untersuchte mit dem Instrument HEiDi die multiferroische Verbindung Ba[~2~]CoGe[~2~]O[~7~]. © Sebastian Mast

Ba₂CoGe₂O₇ gehört zu einer neuen Klasse von Multiferroika, den so genannten „vierfarbigen Medien“, die in Abhängigkeit von der Richtung des angelegten magnetischen Feldes vier unterschiedliche Lichtransmissionen (Farben) aufweisen. Multiferroika sind Materialien, bei denen mehrere auf der elektronischen Ebene geordnete Zustände gleichzeitig existieren und miteinander wechselwirken. Sie ändern beim Anlegen eines elektrischen Feldes die magnetische Orientierung und umgekehrt. Weltweit wird derzeit sehr intensiv an diesen Materialien geforscht, weil sie vielseitig als Sensoren, Aktuatoren, Speichermedien und spintronische Bauteile eingesetzt werden können.

Die verschiedenen Atome und deren Anordnung zueinander bestimmen die physikalischen Eigenschaften von allen Materialien. Enorm wichtig für einen praktischen Einsatz neuer Materialien ist es deshalb zunächst, die Kristallstruktur genau zu bestimmen und einer der 230 möglichen Symmetrieraumgruppen zuzuordnen. Dafür setzen Kristallographen üblicherweise die Röntgenbeugung ein: Sie durchleuchten den Kristall mit einem Röntgenstrahl, der durch die vom Kristallgitter gebildeten Streuebenen umgelenkt wird. Aus dem Streumuster können Wissenschaftler auf die atomare Anordnung im Kristallinneren schließen und sie einer Kristallstruktur zuordnen.

Allerdings sind die Ergebnisse nicht immer eindeutig. Manchmal tauchen bei diesen Beugungsmustern so genannte „verbotene“ Peaks auf. Für diese Peaks gibt es zwei mögliche Deutungen: Sie können ein Hinweis auf eine niedrigere Symmetrie sein, also beispielsweise statt einer tetragonalen eine orthorhombische Kristallstruktur. Sie können aber auch von dem so genannten Renningereffekt – auch bekannt als Umweganregung – verursacht werden. Dieser entsteht dadurch, dass die Strahlung mehrfach umgelenkt wird und quasi als „Querschläger“ an der falschen Stelle als Peak erscheint.

Die „richtigen“ von den „falschen“ Peaks zu unterscheiden ist oft schwierig. Nur selten setzen Wissenschaftler dafür Neutronen ein, obwohl sie wegen ihrer großen Eindringtiefe in das Material ein sehr geeignetes Mittel dafür sind. Dr. Andrew Sazonov (RWTH Aachen/JCNS) wollte zusammen mit Kollegen am MLZ versuchen, das Geheimnis von solchen „falschen“ Peaks in der multiferroischen Verbindung Ba₂CoGe₂O₇ zu entschlüsseln. Er benutzte dafür heiße Neutronen (kurze Wellenlänge) am Instrument HEiDi (RWTH/JCNS) und kalte Neutronen (lange Wellenlänge) am Instrument MIRA (FRM II/TUM). Die Wissenschaftler kamen zu einem eindeutigen Ergebnis: Bei den früher mit Röntgenstrahlen nachgewiesenen verbotenen Peaks in Ba₂CoGe₂O₇ handelt es sich in Wirklichkeit tatsächlich um Umweganregungen. Die echte Symmetrie von Ba₂CoGe₂O₇ bei Raumtemperatur entspricht also einer tetragonalen Struktur und damit lassen sich auch seine magnetoelektrischen Eigenschaften genau bestimmen. Dr. Andrew Sazonov erläutert das Ergebnis: „Die Kombination von Neutronendiffraktion und dem Softwareprogramm „Umweg“ am MLZ ist ein großer Schritt vorwärts für Untersuchungen auch bei vielen anderen interessanten Verbindungen, um die oft schwierige Frage nach deren echter Symmetrie zu beantworten. Das ist schon eine große Vereinfachung.“