Die Vermessung des Kupferselenats

16. März 2016

Physikern der TU Dresden, der Max-Planck-Institute in Dresden und Stuttgart und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung ist es gelungen, erstmals die magnetischen Wechselwirkungen in Kupferselenat vollständig zu verstehen. Sie setzten dafür gleich drei verschiedene Neutronenspektrometer am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching und am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA, ein. Während mit dem Flugzeitspektrometer am ORNL das gesamte vierdimensionale Spektrum vermessen wurde, konnten an den Dreiachsenspektrometern PUMA und PANDA in Garching die wesentlichen Details der Dispersion näher untersucht werden. Das PANDA-Spektrometer wird vom Jülich Centre for Neutron Science betrieben.

Seit 2009 in der Gruppe von Prof. Christian Pfleiderer an der TU München erstmals Skyrmionen in Metallen entdeckt worden waren, suchen und finden zahlreiche Forscher weltweit diese magnetischen Wirbel auch in anderen Materialien. Sie sind auch deshalb nicht nur für die Grundlagenforscher von großem Interesse, sondern ermöglichen im Gegensatz zu normalen Magneten theoretisch gleich mehrere Möglichkeiten der magnetischen Informationsspeicherung. Kupferselenat steht besonders im Fokus, da es das erste Material ist, das zwar keinen Strom leitet, aber eine sehr komplexe dreidimensionale magnetische Struktur mit einem Skyrmionengitter aufweist.

Intensitätsverteilung in Energie-Impuls-Raum bei der Neutronenstreuung von Kupferselenat.
Copyright: D. S. Inosov, TU Dresden

Magnetische Wirbelstrukturen waren bereits 2012 in Kupferselenat entdeckt worden und faszinierten seitdem die Theoretiker. Die Kombination der verschiedenen Neutronenmessungen ergab nun ein vollständiges Spektrum der magnetischen Anregungen. Damit wurde erstmals der experimentelle Beweis erbracht, dass die verschiedenen Anregungen durch eine relativ große Energielücke voneinander getrennt sind. Das auch quantitativ bestimmte Spektrum zeigt die genaue Lage der Energielücken und erlaubt die Berechnung der Wechselwirkungsparameter. Sie sind ein großer Schritt zum Verständnis der Skyrmionen und damit in Richtung einer Entwicklung alternativer magnetischer Systeme zur Informationsspeicherung.

Originalpublikation:

P. Y. Portnichenko, J. Romhányi, Y. A. Onykiienko, A. Henschel, M. Schmidt, A. S. Cameron, M. A. Surmach, J. A. Lim, J. T. Park, A. Schneidewind, D. L. Abernathy, H. Rosner, Jeroen van den Brink, and D. S. Inosov;
Magnon spectrum of the helimagnetic insulator Cu₂OSeO₃
Nature Communications 7, 10725 (2016)