Ordnung in Kristallen sichtbar machen

Viele Fortschritte in den Bereichen Energiespeicherung, Supraleitung und Fertigung hängen von der Entwicklung neuer Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften ab. Ein internationales Team hat Methoden entwickelt, um diese Strukturen besser zu verstehen, und damit wertvolle Werkzeuge für die künftige Forschung bereitgestellt.

Img 4092 cropped Dr. Michał Stękiel (l.) nutzte das Röntgendiffraktometer von Instrumentwissenschaftler Dr. Tobias Schrader (r.), um Neutronenmessungen der Kristallstruktur zu ergänzen. © FRM II / TUM

Dr. Michał Stękiel (l.) nutzte das Röntgendiffraktometer von Instrumentwissenschaftler Dr. Tobias Schrader (r.), um Neutronenmessungen der Kristallstruktur zu ergänzen. © FRM II / TUM

Die Kristallstruktur eines Materials ist die Anordnung der Atome, aus denen es besteht. Die genaue Anordnung bestimmt auch die Eigenschaften des Materials. Ein einfaches Beispiel ist Kohlenstoff: Er kommt in zwei kristallinen Formen vor: Graphit und Diamant. Während Diamanten isolierend wirken, kann Graphit Elektrizität leiten, einfach aufgrund einer anderen Anordnung und Bindung der Kohlenstoffatome, aus denen sein Kristallgitter besteht.

Winzige Magnete in Kristallen?
Das gleiche Prinzip gilt für Kristalle mit einer komplexeren Struktur und Bindung, bei denen die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der Regel komplizierter sind. Das ist bei der Materialgruppe der Fall, zu der das CePdAl₃-System gehört, das Forscher des MLZ und von Partnerinstituten jetzt untersucht haben. Der Erstautor der Arbeit, Dr. Michał Stękiel vom Forschungszentrum Jülich am MLZ, berichtet: “Da die technologischen Anforderungen uns dazu drängen, komplexe Arten der magnetischen Ordnung in Kristallen zu untersuchen, wollten wir herausfinden, welche strukturellen Eigenschaften es CePdAl₃ überhaupt ermöglichen, magnetische Ordnung zu entwickeln.”

Die magnetische Ordnung beschreibt die Beziehung zwischen den magnetischen Momenten der einzelnen Atome. Vereinfacht gesagt, werden die magnetischen Momente als winzige Magnete behandelt und können als Kompassnadeln betrachtet werden, die die Richtung der von den einzelnen Atomen erzeugten Magnetfelder anzeigen. In ferromagnetischen Materialien zum Beispiel sind sie in die gleiche Richtung ausgerichtet, in vielen anderen sind sie komplexer oder sogar chaotisch.

Img 4058 cropped Wie Neutronenstrahlgeräte misst das Röntgendiffraktometer das Streumuster der von links kommenden Röntgenstrahlen auf dem Detektor rechts. © FRM II / TUM

Wie Neutronenstrahlgeräte misst das Röntgendiffraktometer das Streumuster der von links kommenden Röntgenstrahlen auf dem Detektor rechts. © FRM II / TUM

Neutronen enthüllen die magnetische Ordnung
Mit Neutronen an den Diffraktometern HeiDi und DNS am MLZ und dem Flugzeitspektrometer PANTHER am französischen Institut Laue-Langevin (ILL) konnten die Forscher die Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome in den CePdAl3-Kristallen bestimmen.
“Wir wussten, dass tetragonales CePdAl₃ keine einheitliche magnetische Ordnung entwickeln kann. Die magnetische Struktur ist frustriert, und die Atome blockieren sich gegenseitig, um ihre magnetischen Momente sozusagen bequem auszurichten”, erklärt Michał Stękiel. “Mit dem Übergang zu einer orthorhombischen Struktur haben wir jedoch festgestellt, dass die magnetischen Momente bequemer ausgerichtet sind und eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen.”

Fortschritt in kleinen Schritten
Während diese Ergebnisse auf den ersten Blick sehr technisch erscheinen, fährt Michał Stękiel fort: “Im Laufe dieser Arbeit haben wir die Methoden, die wir zur Untersuchung der magnetischen und elektrischen Felder in Kristallen verwenden, überarbeitet. Wir haben ein neues Werkzeug entwickelt, mit dem wir die riesigen Datenmengen, die wir durch Messungen mit Spektrometern erhalten, besser auswerten können.