Neues Modell für magnetische Anregungen in Isolatoren

Nanoinseln in Kobaltoxid-Kristall Ladungsverteilung mit Nanostruktur: In einem Kobaltoxid-Kristall fanden Max-Planck-Forscher im Nanometerbereich zwei verschiedene Zonen, die reich (blau) beziehungsweise arm (rot) an Ladungsträgern sind. Gleichzeitig untersuchten sie mit Neutronen am Instrument PUMA die magnetischen Korrelationen in diesem Material. Die Pfeile und Farben geben die Orientierungen der Elektronenspins oder magnetischen Momente an den einzelnen Atomen wider. © Dr. Alexander Komarek, Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids

Ladungsverteilung mit Nanostruktur: In einem Kobaltoxid-Kristall fanden Max-Planck-Forscher im Nanometerbereich zwei verschiedene Zonen, die reich (blau) beziehungsweise arm (rot) an Ladungsträgern sind. Gleichzeitig untersuchten sie mit Neutronen am Instrument PUMA die magnetischen Korrelationen in diesem Material. Die Pfeile und Farben geben die Orientierungen der Elektronenspins oder magnetischen Momente an den einzelnen Atomen wider. © Dr. Alexander Komarek, Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids

Unter Mitarbeit von Dr. Oleg Sobolev, Wissenschaftler für das Dreiachsenspektrometer PUMA am MLZ, entstanden eine Reihe interessanter Messungen an Isolatoren mit dem für Hochtemperatursupraleiter typischen magnetischen Anregungsspektrum, die jetzt in Nature Communications veröffentlicht werden. Die Forscher um Dr. Alexander Komarek vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (Dresden) haben einen Kobaltoxid-Kristall untersucht, der ein Anregungsspektrum zeigt, das bislang nur in supraleitenden Kupraten (Kupferverbindungen) beobachtet wurde.

Die Wissenschaftler setzten sowohl Neutronenstreuung als auch Röntgenbeugung ein, um ein beobachtetes Phänomen zu erklären, zu dem es mehrere konkurrierende Erklärungsmodelle gibt. Kobaltate sind wie Kuprate aus Schichten aufgebaut, in denen sich die Ladungsträger, in diesem Fall wegen fehlender Elektronen positiv „geladene“ Löcher, aufhalten. Generell erwartet wurde bisher eine streifenförmige Anordnung der Ladungen. Gefunden haben die Wissenschaftler jedoch eine nanoskopische Struktur ladungsfreier Inseln die von den Ladungsträgern umgeben sind. Das magnetische Anregungsspektrum, das sie aus der Neutronenstreuung gewinnen konnten, erinnert an die Form einer Sanduhr und besteht aus einem energiereichen (oberen) Teil und einem energiearmen Unterteil. Diese Form korreliert mit der gefundenen Verteilung der elektrischen Ladung: Der energiereichere obere Teil der Sanduhr spiegelt die magnetischen Anregungen der ladungsfreien Inseln wider, der untere vor allem die der ladungsreichen Bereiche dazwischen. Komarek und seine Kollegen entwickelten aus ihren Ergebnissen ein neues Modell zur Erklärung, die „Nanophasenseparation“.

Offenbar sind die Kupplungen zwischen den magnetischen Atomen in den beiden Bereichen unterschiedlich stark: Auf den ladungsfreien Inseln sind sie stärker, deshalb ist dort mehr Energie für die magnetische Anregung nötig. Die Forscher fanden außerdem bei den Neutronenmessungen am ILL, MLZ und LLB eine zusätzliche magnetische Anregung mit besonders hoher Energie, die noch nie beobachtet worden war, aber nach dem neuen Modell tatsächlich vorhanden sein sollte. Mit ihren Messergebnissen und dem neuen Modell liefern die Wissenschaftler damit eine neue Erkenntnis, die auch für die Hochtemperatursupraleitung von Bedeutung sein könnte.