Symmetrie entschlüsselt

Symmetrie entschlüsselt Die Untersuchung mittels Neutronenstreuung zeigt, dass die magnetische Struktur von Ba2CoGe2O7 eine orthorhombische Symmetrie aufweist, und die Spins sich in einem quadratischen Gitter antiferromagnetisch anordnen. (Quelle: V. Hutanu/A. Sazonov)

Die Untersuchung mittels Neutronenstreuung zeigt, dass die magnetische Struktur von Ba2CoGe2O7 eine orthorhombische Symmetrie aufweist, und die Spins sich in einem quadratischen Gitter antiferromagnetisch anordnen. (Quelle: V. Hutanu/A. Sazonov)

Materialien, bei denen sich auf atomarer Ebene bei bestimmten Temperaturen spontan eine langreichweitige Ordnung einstellt, sind in der Materialwissenschaft von großem Interesse. Ein Magnet ist ein Beispiel für eine solche Ordnung: Den äußeren Magnetismus kann man beobachten, weil sich auf atomarer Ebene die vielen magnetischen Momente der Substanz, die Spins, zueinander parallel ausrichten. Besonders spannend wird es für die Wissenschaftler, wenn die Substanz ein so genanntes Multiferroikum ist, also gleichzeitig mehrere Ordnungsphänomene zeigt, insbesondere, wenn zu einer magnetischen Ordnung noch eine elektrische kommt. Stoffe bei denen es eine Kopplung der Ausrichtung der Spins mit der elektrischen Polarisationsrichtung der Atome gibt, heißen magnetoelektrische Multiferroika. Sie bieten eine Perspektive für eine mögliche Anwendung in der Spintronik und damit der Speicherung von Daten und sind daher für Materialwissenschaftler eines der „heißesten“ Forschungsgebiete.

Das Multiferroikum Ba2CoGe2O7 hat unter Wissenschaftlern zuletzt starkes Interesse ausgelöst, weil es neben seiner besonderen magnetoelektronischen Eigenschaften gleichzeitig weitere ungewöhnliche Phänomene zeigt, wie zum Beispiel magnetisch angeregte Schwingungen im Kristallgitter oder eine richtungsabhängige Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Material. Um die erstaunlichen Beobachtungen zu erklären, haben Wissenschaftler verschiedene theoretische Modelle vorgeschlagen. Dabei wurde angenommen, dass die Kristallstruktur von Ba2CoGe2O7 eine tetragonale Symmetrie hat. Am Instrument HEiDi, das an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) betrieben wird, wurde nun erstmals die Struktur der Substanz bei Temperaturen unterhalb und oberhalb des magnetoelektrischen Phasenübergangs untersucht, der nur wenige Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts stattfindet. Die Analysen zeigen, dass die magnetische Struktur eine orthorhombische Symmetrie aufweist, und die Spins sich in einem quadratischen Gitter antiferromagnetisch anordnen, also antiparallel zueinander stehen. „Die beobachteten Eigenschaften können damit aufgrund der kristallografischen und magnetischen Ordnung der Substanz erklärt werden“, sagt Vladimir Hutanu vom Institut für Kristallographie der RWTH Aachen, der an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) für das Instrument POLI@HEiDi verantwortlich ist.

Weil die Wissenschaftler keine Anzeichen für weitere Phasenübergänge oberhalb der untersuchten Temperatur feststellen konnten, gehen sie davon aus, damit auch die wahre Kristallstruktur von Ba2CoGe2O7 entschlüsselt zu haben. Diese Annahme wird bestätigt durch die Befunde einer vorhergehenden kristallografischen Untersuchung des Materials mit Synchrotronstrahlen bei Raumtemperatur.