Neutronen weisen neue spiralförmige Magnetstruktur nach

spiral spin liquid Links: Theoretische Vorhersage einer “Spiral surface” (grau). Der rote Ring markiert einen Schnitt entlang einer zweidimensionalen Fläche im reziproken Raum. Rechts: Messdaten diffuser Neutronenstreuuntersuchungen dieser Fläche bei niedrigen Temperaturen. © S. Gao + O. Zaharko (Paul Scherrer Institut, Switzerland)

Links: Theoretische Vorhersage einer “Spiral surface” (grau). Der rote Ring markiert einen Schnitt entlang einer zweidimensionalen Fläche im reziproken Raum. Rechts: Messdaten diffuser Neutronenstreuuntersuchungen dieser Fläche bei niedrigen Temperaturen. © S. Gao + O. Zaharko (Paul Scherrer Institut, Switzerland)

Die magnetischen Momente („Spins“) in magnetischen Festkörpern können die verschiedensten Strukturen bilden. Einige davon sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant sondern auch aus technischer, weil sie sich einmal für die Speicherung und Verarbeitung von Daten auf engstem Raum und unter geringem Energieverbrauch eignen könnten.

Ein Team von Forschern aus der Schweiz, Deutschland, Moldawien und Frankreich hat nun die Existenz einer neuen spiralförmigen Magnetstruktur nachgewiesen: In Mangan-Scandium-Thiospinel-Einkristallen (MnSc₂S₄) fanden sie bei niedrigen Temperaturen Hinweise auf eine so genannte „Spiral Spin-Liquid“ -Struktur. Benachbarte Spins fluktuieren hierbei gemeinsam in Form von Spiralen, bilden aber über größere räumliche Entfernung keine Ordnung aus, ähnlich wie Wassermoleküle nur kurz- und keine weitreichenden Strukturen bilden.

„Spiral Spin-Liquid“-Strukturen waren bereits 2007 vorhergesagt worden. „Ein charakteristisches Merkmal dieses Ordnungstyps ist eine so genannte „spiral surface“ – eine Fläche im reziproken Raum, die regelmäßige spiralige Ausbreitungsvektoren aufweist“, erläutert Dr. Yixi Su, Instrument-Wissenschaftler am Flugzeitspektrometer für diffuse Neutronenstreuung einem Instrument des Jülich Centre for Neutron Science an seiner Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. Genau solche Muster konnten jetzt durch den Einsatz polarisierter diffuser Neutronenstreuung am Instrument DNS nachgewiesen werden.

Der Nachweis war nicht einfach; Yixi Su berichtet von den Herausforderungen, die die Forscher überwinden mussten: „Für die Untersuchung benötigten wir Probenmaterial, das frei von Defekten und stöchiometrisch einwandfrei ist. Dies in größeren Mengen herzustellen, ist sehr schwierig. Letztendlich mussten wir mit ungefähr 30 Milligramm auskommen. Da Messungen am DNS mit hoher Zählrate, geringem Untergrund und mit einer Polarisierungsanalyse, möglich sind, hat diese geringe Menge trotzdem für den direkten Nachweis der „Spiral surface“ ausgereicht”.

Text: A. Wenzik / JCNS