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Das Neutron als magnetische Sonde

Aufgrund ihres magnetischen Dipolmoments sind Neutronen für innere Magnetfelder in kondensierter Materie empfindlich. Sie erlauben es nicht nur, die Anordnung statischer magnetischer Momente im Festkörper oder Molekülen zu bestimmen, sondern auch die magnetischen Anregungen und Fluktuationen, die Auskunft geben über die quantenmechanischen magnetischen Wechselwirkungen. Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl - ja oft sogar die einzige Methode - um mikroskopisch atomare Information über den Magnetismus zu erhalten und quantitativ mit ab-initio Rechnungen vergleichen zu können. Beispiel für neue Materialien und Materialsysteme sind:
  • Hochkorrelierte Elektronensysteme, die unerwartete Phänomene und Funktionalitäten zeigen (z. B. Hochtemperatursupraleitung, kolossaler Magnetowiderstandseffekt, multiferroische Ordnungen), die sich nicht mit dem „Standardmodell” der Festkörperphysik erklären lassen. Neutronenstreuung zeichnet sich in der Vielfalt der Untersuchungsmethoden darin aus, dass sie direkt Paarkorrelationen im Festkörper misst und zwar auf allen relevanten Längen- und Zeitskalen.
  • Nanomagnetismus, bei dem die Eigenschaften wesentlich durch die Atome an der Oberfläche oder an Grenzflächen bestimmt werden und die daher neuartige Phänomene und Funktionalitäten aufweisen (Beispiel erhöhte Anisotropie in Nanoteilchen oder der Riesenmagnetowiderstandseffekt in Schichtsystemen). Neutronen ermöglichen einzigartige Einblicke in diese Systeme - etwa durch tiefenaufgelöste Vektormagnetometrie, polarisierte Diffraktion zur Bestimmung der Spindichteverteilung in molekularen Magneten, inelastische Streuung zur Vermessung der relevanten Anregungen etc. - Informationen, die so mit keiner anderen Methode erzielt werden können. Magnetismus kann auch räumlich abgebildet werden: Tomographie mit polarisierten Neutronen erlaubt die 3D-Abbildung freier Magnetfelder sowie interner Felder von magnetischen Materialien. Sogar magnetische Domänen können neuerdings in 3D mittels Phasengitter-Tomographie im Inneren von Magneten sichtbar gemacht werden.
  • Nanostruktur und elektronische Korrelation Nanostrukturierte Systeme aus Materialien mit starken elektronischen Korrelationen, wo sich die beiden größten Herausforderungen der modernen Festkörperphysik treffen: Grenzflächenphänomene und elektronische Korrelationen. Beispiele für ungewöhnliche Grenzflächenphänomene, die mit Neutronenstreuung untersucht wurden, sind ferromagnetische Grenzflächen zwischen zwei Antiferromagneten oder supraleitende Grenzschichten, die sich zwischen zwei Isolatoren ausbilden.

Quelle: Perspektiven der Neutronenforschung in Deutschland, 2011
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