Deutsch Physik-Department E15 - Gruppe B English

 

Bestimmung des Myonenortes in CePtSn
Eine µSR-Untersuchung

Franz-Josef Burghart


Zusammenfassung

Unter den Systemen schwerer Fermionen hat in letzter Zeit CeNiSn besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen. CeNiSn war einer der ersten entdeckten Vertreter einer neuen Klasse von Kondo-Systemen, die in der Literatur als Kondo-Halbleiter bezeichnet wird. In CeNiSn bildet sich bei tiefen Temperaturen eine sehr schmale Energielücke aus, deren Zustandekommen noch nicht endgültig geklärt ist. Die isostrukturellen Verbindungen CePtSn und CePdSn zeigen, wie empfindlich kleinste Änderungen im Volumen der Einheitszelle (ca. 5 % Reduktion) die elektronische Struktur des Grundzustands beeinflussen. Im Gegensatz zu CeNiSn bildet sich nämlich in letzteren eine langreichweitige antiferromagnetische Ordnung aus.

An allen drei Verbindungen wurden seit 1992 µSR-Experimente von der Gruppe an E15 durchgeführt. Eine Vielzahl wichtiger Ergebnisse konnte bereits gewonnen werden ohne Kenntnis des Zwischengitterplatzes, an dem das Myon in der orthorhombischen Kristallstruktur der Verbindungen gestoppt wird. Eine deutliche Verbesserung der quantitativen Auswertung der µSR-Daten ist durch eine Bestimmung des Myonenortes zu erreichen.

Ein Beispiel, das zeigt, warum die Kenntnis des Myonenortes von Bedeutung ist, ist die antiferromagnetische Struktur von CePtSn zwischen ca. 5 und 7.5 K. Die Interpretation der Daten aus Neutronenstreuexperimenten liefert für diese Phase eine inkommensurable Spinstruktur der Ce-Momente, was zu einer breiten Verteilung des inneren magnetischen Feldes an den interstitiellen Gitterplätzen führen sollte. Die µSR-Nullfeld-Spektren zeigen hingegen in diesem Temperaturbereich eine schwach gedämpfte diskrete Frequenz. Um diesen offensichtlichen Widerspruch quantitativ diskutieren zu können, ist es notwendig, den Zwischengitterplatz, an dem das Myon gestoppt wird, zu kennen. Aussagen über den vom Myon eingenommenen Zwischengitterplatz zu erhalten, ist Aufgabe der vorliegenden Arbeit.

Dazu mußten zunächst durch Berechnung der räumlichen Variation des elektrostatischen Potentials in der Struktur ("Potentialkarten") lokale Minima des Potentials ausfindig gemacht werden. Diese Minima stellen die wahrscheinlichen Myonenorte dar. Auf diese Weise wurden in CePtSn die zwei größten Potentialminima bestimmt, die sich untereinander nur wenig unterscheiden, von anderen möglichen Orten aber deutlich abheben. Sie werden daher als die wahrscheinlichsten Aufenthaltsorte des Myons betrachtet. Aufgrund des Temperaturverhaltens der Myonenspektren oberhalb der Neéltemperatur kann geschlossen werden, daß das Myon zumindest für T<200K an einem Zwischengitterplatz fest ruht, d.h., es findet keine Myonendiffusion statt.

Die Standardmethode, aus den verschiedenen in Frage kommenden Zwischengitterplätzen den richtigen auszuwählen, ist die Messung der winkelabhängigen Dämpfung des µSR-Signals, verursacht von an umgebenden Gitterplätzen sitzenden Kernen mit magnetischem Moment. Diese Winkelabhängigkeit ist in der Regel für verschiedene interstitielle Plätze unterschiedlich. Durch den Vergleich der Meßdaten mit der theoretisch berechneten Winkelabhängigkeit für die verschiedenen Plätze kann man auf den Myonenort rückschließen.

Aufgrund des kleinen in CePtSn zur Verfügung stehenden 195-Pt-Moments und der nur 33.8%igen natürlichen Häufigkeit dieses Isotops waren die Voraussetzungen, die eine quantenmechanisch abgeleitete Näherungsformel für die Berechnung der theoretisch zu erwartenden Winkelabhängigkeit macht, nicht gegeben. Diese Formel setzt eine gaußförmige von den Kernen erzeugte Feldverteilung am Zwischengitterplatz voraus. Aufgrund der Verdünnung der Momente ist diese Voraussetzung hier nicht notwendigerweise erfüllt. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Simulationsprogramm entwickelt, das statische, von zufällig orientierten und an Gitterplätzen lokalisierten Dipolmomenten verursachte Feldverteilungen an beliebigen interstitiellen Plätzen und deren Auswirkungen auf die Polarisation eines Myonenensembles simuliert. Die Voraussetzung statischer Momente kann als gegeben betrachtet werden, da typische Kern-Gitter-Relaxationszeiten lang gegen die Lebensdauer des Myons (ca. 2.2 µs) sind.

Mit dem genannten Programm wurde die Winkelabhängigkeit der Kerndämpfung des µSR-Signals im Nullfeld für die beiden größten Minima des elektrostatischen Potentials in einem CePtSn-Einkristall simuliert. Die Anwendung des Programms ist dabei aber nicht auf CePtSn beschränkt. Insbesondere kann damit ebenso die Auswirkung verdünnter Momente auf die Feldverteilungen an Zwischengitterplätzen auch in anderen gegebenen Kristallstrukturen untersucht werden.

Die Experimente zur Lokalisation des Myons fanden am Daresbury Rutherford Appleton Laboratory (DRAL) in Chilton, England, statt. Aus Zeitgründen konnten nicht alle gewünschten Spektren aufgenommen werden. Außerdem wurde, wahrscheinlich aufgrund experimenteller Schwierigkeiten, keine quantitative Übereinstimmung der gemessenen und der für die beiden betrachteten Orte simulierten Werte erreicht. Der qualitative Verlauf der Winkelabhängigkeit, der mit den vorhandenen Meßpunkten erschlossen werden kann, liefert aber einige Indizien, die für das größte Potentialminimum als Myonenort sprechen, während das zweitgrößte Minimum weitgehend ausgeschlossen werden kann. Somit ist trotz der Abweichung der gemessenen Absolutwerte die Aussage möglich, daß das Myon mit ziemlicher Sicherheit am Ort mit den Einheitszellenkoordinaten 0.01, 0.25, 0.378 gestoppt wird (Koordinaten des zweitgrößten Potentialminimums: 0.496, 0.544, 0.462). Für eine eindeutige Lösung des Problems sind aber noch weitere, unter verbesserten Meßbedingungen aufgenommene Meßpunkte notwendig.


Oktober 1994

 


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Letzte Änderung: 5.1.2000