Deutsch Physik-Department E15 - Gruppe B English

 

µSR-Messungen an Uranverbindungen und
Aufbau eines Meßplatzes für gepulste Myonenstrahlen

Andreas Kratzer


Zusammenfassung

Verschiedene Verbindungen aus der Familie der Uranmonopnictide, der Uranmonochalkogenide und der intermetallischen Uranverbindungen wurden mit Hilfe der Myonen-Spin-Rotation und der Myonen-Spin-Relaxation untersucht. Alle Verbindungen sind durch andere Meßmethoden (Neutronenstreuung, Magnetisierungsmessung usw.) charakterisiert. Speziell die Uranmonopnictide zeigen ein faszinierendes magnetisches Verhalten mit komplizierten antiferromagnetischen Strukturen. Obwohl von gleicher Kristallstruktur dominiert in den Uranmonochalkogeniden offensichtlich eine andere Austauschwechselwirkung, die zur ferromagnetischen Ordnung führt. Sie äußert sich auch in einer zu den Uranmonopnictiden umgekehrten Abhängigkeit der Ordnungstemperatur vom Aktinidenabstand in den Verbindungen. Die intermetallische Verbindung UAl2 ordnet nicht magnetisch, scheint aber in ihren physikalischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen von kollektiven Spinfluktuationen (Paramagnonen) beeinflut zu werden.

Unsere Messungen sollten zum einen zeigen, wie sich bekannte magnetische Eigenschaften in den Myonendaten darstellen. Dies ist vor allem wichtig für antiferromagnetische Strukturen (für die noch vergleichsweise wenig µSR-Daten existieren) in Hinblick auf die noch ungelösten Probleme bei schweren Fermionensystemen und Verbindungen, die den Hochtemperatursupraleitern nahestehen. Zum anderen erwarteten wir, neue Aspekte des Magnetismus der Aktiniden zu entdecken, da das Myon eine Sonde auf einem Zwischengitterplatz ist und sehr empfindlich auf kleinste Störungen der Spinstruktur anspricht. Aufgrund seiner Eigenschaften sind µSR-Messung ohne zusätzliches äußeres Magnetfeld möglich. Schließlich stellen unsere Experimente eine logische Fortsetzung bisheriger µSR-Experimente an Verbindungen der Seltenen Erden dar.

UAs zeigt zwei Übergänge in verschiedene antiferromagnetische Strukturen. Unterhalb TN = 124 K findet man eine 1k-TypI Struktur und unterhalb T$_N=62\,K$ eine 2k-TypIA Struktur. Bei hohen Temperaturen ist die Dämpfung sehr klein (\lambda \approx 0.03 µs-1). Sie wird von einer statischen Feldverteilung geringer Breite (\sqrt{<B2>} \approx 0.07 mT) verursacht und kann den 75As}-Kernmomenten zugeschrieben werden. Zwischen T \approx 190 K und T \approx 170 K steigt die Dämpfung auf \lambda \approx 0.15 µs-1 an. Dies muß mit einer "precursor"-Phase in Zusammenhang stehen, die bereits mit kritischer Neutronenstreuung oberhalb der ersten Ordnungstemperatur entdeckt wurde. Allerdings konnte damit diese inkommensurable Spinstruktur nur bis T \approx TN + 10 K verfolgt werden.

Zwischen T \approx 170 K und T \approx 120 K bleibt die Dämpfung innerhalb der Fehler konstant, um dann den Übergang erster Ordnung in die 1k-TypI Struktur durch einen abrupten Anstieg auf \lambda \approx 0.5 µs-1 anzuzeigen. Dieser Übergang bewirkt auch eine Abnahme der Anfangsasymmetrie um \approx 5 %.

Aus "Nullfeld"- und Longitudinalfeldmessungen im Temperaturbereich der 1k-TypI Phase leitet sich eine statische lorentzförmige Feldverteilung ab, die auf verdünnte Störungen der Struktur schließen läßt. Aus der statischen Natur der Feldverteilung folgt die Abwesenheit von Spinanregungen schon dicht unterhalb TN.

Am zweiten Übergang in die 2k-TypIA Struktur spaltet das Myonensignal in drei Signale auf, von denen zwei im "Nullfeld" eine spontane Frequenz zeigen. Dies kann mit einer tetragonalen Verzerrung des Gitters erklärt werden, die zwar theoretisch erwartet wurde, mit anderen Meßmethoden bisher aber nicht nachgewiesen werden konnte. Durch Aufsummieren der Dipolarfelder nächster Nachbarn kann man zeigen, daß nur bei tetragonaler Verzerrung in der 2k-TypIA Struktur Myonenplätze mit unterschiedlichen Magnetfeldern entstehen. Dies stimmt mit unseren Meßdaten überein und beweist die Verzerrung.

USb ordnet bei TN = 213 K mit einer antiferromagnetischen 3k-TypIA Struktur. Am Übergang ist kein Verlust der Anfangsasymmetrie festzustellen. Zwischen T \approx 100 K und T \approx 60 K nimmt die Dämpfung des Signals ab. Dies deutet auf eine Beeinflussung des Myonensignals durch Ausfrieren von Spinwellen hin, wie es aufgrund eines Minimums der Dispersionsrelation der Spinwellenanregungen bei T \approx 60 zu erwarten ist.

Zwei magnetische Strukturen findet man auch in UP. Bei TN = 122 K erfolgt ein Übergang in die 1k-TypI Struktur und bei TN = 22.5 K in die 2k-TypI Struktur. Ein Vergleich mit UAs und USb zeigt, daß oberhalb der ersten Ordnungstemperatur das Myon nur von der statischen Feldverteilung der 31P beeinflußt wird. Ein steiler Anstieg der Dämpfung zeigt auch hier einen Übergang erster Ordnung in die 1k-TypI Struktur. Er ist ebenfalls mit einem Verlust an Anfangsasymmetrie verbunden. Innerhalb dieser Struktur steigt die Dämpfung nochmals an. Es kann nur vermutet werden, da dies wie in USb mit der Spindynamik in Zusammenhang steht. Der zweite magnetische Übergang führt zu einer Verminderung der Dämpfung, die vermutlich durch die veränderte Spinstruktur verursacht wird.

Das untersuchte Monochalkogenid UTe ordnet im Gegensatz zu den Uranmonopnictiden ferromagnetisch. Es zeigt oberhalb der Ordnungstemperatur Tc \approx 104 K eine temperaturabhängige relative Verschiebung der Transversalfeldfrequenz, die gut mit der Temperaturabhängigkeit der Suszeptibilität übereinstimmt. Unterhalb Tc kann das Hauptsignal aufgrund der schnellen Dämpfung nicht weiter beobachtet werden. Allerdings sind zwei kleinere Signale vorhanden, deren Herkunft nicht eindeutig geklärt werden kann.

In der intermetallischen Verbindung UAl2 wurde nach Hinweisen auf langsame paramagnetische Fluktuationen gesucht. Über den gesamten Temperaturbereich (T \approx 300 K bis T \approx 3 K) ist jedoch kein Einfluß der Uranmomente auf das Signal festzustellen. Die Dämpfung des Myonensignals wird eindeutig durch die 27Al-Kernmomente bestimmt. Die Uranmomente müssen also sehr schnell fluktuieren. Eine Abschätzung der Fluktuationsrate ergibt \tauc-1 \approx 1013 Hz über den ganzen erfaßten Temperaturbereich. Ein bemerkenswertes Ergebnis der Messungen an UAl2 ist der Nachweis, daß die Myonendiffusion ein ähnliches Temperaturverhalten zeigt, wie es auch in den Verbindungen CeAl2 und LaAl2 gefunden wurde. Unterhalb T \approx 60 K ist das Myon statisch. Bei höheren Temperaturen beginnt die Myonendiffusion, die aber zunächst noch behindert ist (Einfang an Fehlstellen). Erst ab T \approx 150 K ist die Diffusion der Myonen völlig frei.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch die Datenerfassung und die Rechnerkontrolle für den, im Rahmen einer Kooperation der Europäischen Gemeinschaft, neu geschaffenen Meßplatz an der hochintensiven gepulsten Myonenquelle am Rutherford Appleton Laboratory in Chilton, England entwickelt. Im Anhang wird ein Überblick über dieses System gegeben. Erste Messungen wurden an UAs durchgeführt und sind in die Auswertung mit aufgenommen.


Prüfungskommission

Vorsitzender:Univ.-Prof. Mang
1. Prüfer:Univ.-Prof. Dr. G.M. Kalvius
2. Prüfer:Univ.-Prof. Dr. Speidel
Eingereicht:17.7.1989
Angenommen:25.7.1989

 


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Letzte Änderung: 5.1.2000