Deutsch Physik-Department E15 - Gruppe B English

 

µSR-Messungen an Gd unter hohem Druck

Klaus Mutzbauer


Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde das bisher am CERN betriebene µSR-Hochdruck-Spektrometer mit einigen Veränderungen am Paul-Scherrer-Institut (PSI) aufgebaut. Anschließend wurde Gadolinium (Gd) im Temperaturbereich von 50 K bis 250 K und unter Drücken von 0 bis 0.6 GPa mit Hilfe der Myonen-Spin-Rotation untersucht.

Die Hochdruckanlage ist speziell auf die Erfordernisse der Myonen-Spin-Spektroskopie abgestimmt. Sie kann genügend große Proben (7 mm Durchmesser, bis zu 60 mm Länge) aufnehmen und übt rein hydrostatischen Druck aus. Der letzte Punkt ist besonders wichtig, da aufgrund der Empfindlichkeit der Myonenspinspektroskopie, Druckgradienten oder innere Spannungen den Informationsgehalt der Messung zerstören würden. In der gegenwärtigen Ausbaustufe erlaubt das Spektrometer Drücke bis 0,7 GPa, Temperaturen zwischen 10 K und 380 K und transversale Magnetfelder bis etwa 1 T. Die Messung eines Spektrums erfordert typisch zwei bis drei Stunden. Das Probensignal beträgt etwa 25 % des Gesamtsignals. Zum Vergleich: Die typische Meßzeit mit einem Standardspektrometer beträgt 20 bis 30 Minuten, und 95 bis 100 % des Gesamtsignals stammen von der Probe.

Die Messung von Gd im ferromagnetischen Bereich ergibt ein besonders einfach zu analysierendes Spektrum, wenn ohne externes Feld ("Nullfeld"-Messung) gemessen wird. Die spontane Myonenspinrotation im internen Feld hebt sich deutlich vom Untergrundspektrum der Zelle ab.

Gadolinium hat hcp-Struktur und zeigt unter 293 K ferromagnetische Ordnung. Gadolinium besitzt eine relativ geringe magnetische Anisotropie. Von 293 K (Curietemperatur) bis 230 K ist die Magnetisierung parallel zur c-Achse ausgerichtet. Darunter dreht sie sich sehr schnell von der c-Achse weg. Der Winkel \theta zwischen Magnetisierung und c-Achse erreicht bei 200 K den maximalen Wert von circa 60 Grad. Bis circa 50 K dreht sich die Magnetisierung wieder auf etwa 30 Grad zurück um dann bis 0 K weitgehend konstant bei 30\grad zu bleiben. Dieses Verhalten beeinflußt auch die mittels der Myonen-Spin-Rotation gemessenen Magnetfelder am interstitiellen Ort des Myons im Gd-Kristall, welches sich aus Fermi-Kontaktfeld und dem Feld der magnetischen Dipole zusammensetzt. Aus den gemessenen Magnetfeldern lassen sich daher Rückschlüsse sowohl auf das Fermi-Kontaktfeld, als auch auf den Winkel \theta ziehen. Die Ursache für dieses Verhalten, das sich auch durch eine Anisotropieenergie ausdrücken läßt, ist im Detail noch nicht bekannt. Ein Teil dieser Energie stammt von der magnetischen Wechselwirkung der Gd-Atome untereinander ab. Dieser ist allerdings weitgehend temperaturunabhängig und kann daher die Abhängigkeit von \theta von der Temperatur nicht erklären.

Unter 0.6 GPa ändert sich das Verhalten von \theta bezüglich der Temperatur. Der Aufstieg von $\theta$ wird auf etwa 210 K verschoben und es gibt kein Rückdrehen der Magnetisierung zur c-Achse bei tiefen Temperaturen mehr. Dies könnte Hinweise für die Erklärung des Verhaltens von \theta, d.h. der mangetischen Anisotropie, bezüglich der Temperatur geben.


April 1993

 


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Letzte Änderung: 5.1.2000