Zwei ziehen an einem Strang: PANDA ergänzt PUMA

PUMA-PANDA PUMA-PANDA-Messergebnisse © B. Keimer, MPI

PUMA-PANDA-Messergebnisse © B. Keimer, MPI

Vor kurzem hat eine Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart unter Leitung von Prof. Bernhard Keimer Physical Review Letters über eine inelastische Neutronenstreuung an einem stöchiometrischem Sr₃Fe₂O₇–Kristall berichtet. Die Ergebnisse entstanden aus der Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Instrumente Panda und PUMA. Die Forschungsarbeit ist ein gutes Beispiel dafür, wie Experimente bei Panda und PUMA gleichermaßen zu einem gemeinsamen Ergebnis beitragen.

Der zweischichtige Perowskit Sr₃Fe₂O₇, der eine spiralförmige Anordnung der Spins unter 115 K und einem Metall-Isolator-Übergang bei 340 K zeigt, ist seit langem Gegenstand von theoretischen Diskussionen über die Herkunft seiner nichtkollinearen magnetischen Ordnung. Ein Szenario ist ein Wettbewerb zwischen der Wechselwirkung eines Superaustauschs (antiferromagnetisch) oder eines Doppelaustauschs (ferromagnetisch, der zur Bildung eines kreisförmigen Magnetismus führen kann. Die andere Theorie sagt voraus, dass eine einzige Doppelaustauschwechselwirkung den Spiralzustand der magnetischen Ordnung stabilisieren kann. Um diese Frage zu klären, muss die Spinwellen-Dispersion im Normalzustand entschlüsselt und anschließend der genaue Wert der Spin-Spin-Wechselwirkung mit Hilfe eines plausiblen Modells für das gegebenen Spektrum extrahiert werden. Da die Spinwellendispersion im Übergangsmetall-Oxid Sr₃Fe₂O₇ von sehr niedrigen (nahe Null) bis zu einigen zehn Millielektronenvolt (meV) reicht, wurden mehrere Experimente an PANDA im niederen Energiebereich (0 – 6 meV) und PUMA im hohen Energiebereich (3 – 16 meV) durchgeführt um damit das volle Spin-Anregungsspektrum abzudecken (siehe Abbildung). Durch die Modellierung der erhaltenen Magnon-Dispersion haben die Autoren bewiesen, dass die Größen der Superaustausch- und Doppelaustauschwechselwirkung durchaus vergleichbar ist, was eine Jahrzehnte alte theoretische Vorhersage von konkurrierenden Austauschwechselwirkungen in der Nähe einer Grenze von Metall-Isolator-Übergang in Sr₃Fe₂O₇ bestätigt. Darüber hinaus können solche sauberen Daten aus der inelastischen Neutronenstreuung auch als Modellspektrum für magnetisch ungeordnete Systeme dienen, in denen mehrere Austauschwechselwirkungen in einer ähnlichen konkurrierenden Größenordnung vorhanden sind.

Ohne die Kombination aus den Stärken des PANDA- und PUMA-Spektrometers wäre es nicht möglich gewesen, die Spindynamik von Sr₃Fe₂O₇ auf so hohem quantitativem Niveau zu beschreiben.
Obwohl PANDA (kalte Neutronen) und PUMA (thermische Neutronen) die gleiche Technik für die inelastische Neutronenstreuung nutzen, unterscheiden sich diese drei-Achsen-Spektrometer in den Energie- und Impulsbereichen, die sie abdecken können. Deshalb variiert in der Regel eine Messung an jedem der beiden Spektrometer, je nach dem charakteristischen Energiebereich eines bestimmten Systems, zum Beispiel die Messung von frustrierten Magneten an PANDA oder Hoch-Tc-Supraleiter an PUMA. Manchmal erfordert es den Einsatz beider Instrumente, um den niedrigen und den hohen Energieübertragungsbereich abzudecken.