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Cu-O-Ebenen zu verstehen, die wiederum direkt mit
der Supraleitung verknüpft ist.
• die Bestimmung von magnetischer Ordnung und
Fehlordnung als Funktion der Dotierung: In allen
Hoch-T C
-Materialien gibt es abhängig von der
Dotierung eine Konkurrenz zwischen magnetischer
Ordnung und Supraleitung, die nahe legt, dass beide
Phänomene direkt verknüpft sind.
• die Bestimmung der Phononendispersion: Während
die konventionelle BCS-Theorie zur Erklärung des
Phänomens der Hoch-T C
-Supraleitung ausgeschlossen
werden kann, geben Anomalien im Phononenspektrum
Hinweise auf die Bedeutung von Gitterschwingungen.
• die Vermessung der Magnonendispersion: Damit
lassen sich magnetische Kopplungen in den Cu-O-
Ebenen bestimmen, die wichtige Parameter sind für
alle Modelle, die von magnetischen Kopplungsmechanismen
ausgehen.
• die Entdeckung von statischer und dynamischer Streifenordnung:
Neutronenstreuung hat die nanoskalige
Separation von Ladungen und Spinordnung im Sinne
eines Selbstorganisationsprozesses nachgewiesen.
Neuere Experimente suggerieren, dass diese so
genannte Streifenordnung in Form dynamischer Fluktuationen
auch in der supraleitenden Phase auftritt
und haben zu Modellen Anlass gegeben, die diese
dynamische Streifenordnung mit dem Mechanismus
der Supraleitung verbinden.
• die Entdeckung von magnetischen Fluktuationen
im supraleitenden Zustand, die Hinweise für einen
magnetischen Kopplungsmechanismus geben können.
Ordnungsparameter
Diese Erfolgsgeschichte der Neutronen setzt sich bei
den dotierten Manganat-Perovskiten fort, die zusätzlich
orbitale Ordnung zeigen (Abb. 2.29). Neutronen
sind direkt oder indirekt auf alle relevanten Ordnungsparameter
empfi ndlich, wodurch die komplexen
Übergangsmetalloxide ein außergewöhnliches Labor
im Nanomaßstab werden und uns einen Zugang zum
Verständnis der elektronischen Korrelationen bieten.
z
O 2-
Mn 4+
Mn 3+
Abb 2.29. Orbitales Polaron als Beispiel für eine lokale
Ladungs- und Orbitalordnung in dotierten Manganaten.
x
y
Quantendynamik in Spin-Eis
Die Seltenerd-Verbindungen Holmium-Titan-Oxid und
Dysprosium-Titan-Oxid (chemische Zusammensetzung
Ho 2
Ti 2
O 7
und Dy 2
Ti 2
O 7
) haben aufgrund außergewöhnlicher
Eigenschaften, die bei tiefen Temperaturen
zutage treten, in den letzten Jahren einige Berühmtheit
erlangt. Diese Verbindungen werden einer Klasse von
Substanzen zugerechnet, die als „topologisch frustrierte
Magnete“ bezeichnet werden. Das sind Stoffe, bei
denen einige Atome magnetische Momente besitzen
(in diesem Falle Holmium oder Dysprosium), deren
Wechselwirkungen aber durch ihre räumliche Anordnung
(die durch die kristalline Struktur bedingt ist)
beeinträchtigt werden. Da die magnetischen Wechselwirkungen
nicht „in der gewohnten Weise“ wirken,
entstehen hochkomplizierte und komplexe Situationen,
in denen die Eigenschaften der Materialien sehr leicht
durch äußere Parameter verändert werden können oder
gänzlich durch andere Faktoren bedingt werden, die
normalerweise eine untergeordnete Rolle spielen.
Nicht ergodisch bei tiefer Temperatur
Im vorliegenden Fall wurde man aufmerksam, nachdem
die spezifi sche Wärme zwischen T=0,2 K und T=10 K
gemessen und die Entropiedifferenz zwischen beiden
Temperaturen bestimmt worden war. Es zeigte sich,
dass diese Differenz nur 71 % des erwarteten Wertes
betrug. Der Grund dafür ist derselbe wie in Wasser-Eis
(daher der Name Spin-Eis), wo dieser Effekt historisch
zuerst beobachtet wurde, und lässt sich mit einer
direkten räumlichen Analogie zwischen beiden Stoffen
anschaulich machen. Der Grundzustand bei tiefer Temperatur
ist nicht eindeutig, sondern besitzt eine makroskopische
Vielfalt der Größenordnung (3/2) N/2 , wobei N
die Zahl der Atome in der Probe ist (≈ 10
23 ). Mit den
Worten der Thermodynamik gesagt: beide Stoffe sind
bei tiefer Temperatur nicht ergodisch.
Die Rolle der Neutronen
Was trägt die Neutronenstreuung zu unserem Wissen
über Spin-Eis bei Man gewinnt ein direktes Abbild
der Anordnung der Atome und magnetischen Momente
auf mikroskopischer Skala und kann den Nachweis
der o. g. Thesen direkt führen (Abb. 2.30). In diesem
Falle bedeutet das, dass die magnetischen Momente bei
tiefer Temperatur keine regelmäßige langreichweitige
Ordnung eingehen, wie man eigentlich erwarten würde
(und was einem eindeutigen Grundzustand entsprechen
würde), sondern in einem chaotischen ungeordneten
Muster einfrieren. Neutronenstreuung zeigt auch, wie
der „Gefrierprozess“ mikroskopisch abläuft, wenn man
die Probe abkühlt. Es zeigt sich, dass hier dynamische
Tunnelprozesse auftreten, die rein quantentheoretischer
Natur sind, jedoch bereits bei viel höherer Temperatur
einsetzen als in anderen vergleichbaren Fällen.
Neben den Cuprat-Hochtemperatursupraleitern gibt es
viele andere Supraleiter, die nicht mit der BCS-Theorie
der Elektron-Phonon-Kopplung verstanden werden
können und bei denen man ein Wechselspiel zwischen
Magnetismus und Supraleitung beobachtet, etwa
CeCu 2
Si 2
oder Sr 2
RuO 4
. Auch hier sind Neutronenstreuexperimente
zu magnetischen Anregungen ein Schlüssel
zum Verständnis des supraleitenden Paarungsmechanismus.
Abb 2.30. Schematische Darstellung der kubischen
Elementarzelle von Spin-Eis bei tiefer Temperatur (im gefrorenen
Zustand). Die Abbildung stellt die tetraedrische
Koordination der nächsten SE-Nachbarn und eine mögliche
Anordnung der magnetischen Momente (in jedem
Tetraeder ist die Vektorsumme Null) dar. In benachbarten
Elementarzellen haben die magnetischen Momente dieselben
Positionen, sie sind aber anders ausgerichtet.
36 Korrelationen: Spin-Eis 37