Lokale Eigenschaften korrelierter Elektronen bei Dotierung

In diesem Projekt sollen die lokalen Eigenschaften dotierter Systeme mit starken elektronischen Korrelationen mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz (NMR) studiert werden. Die Messungen sollen mit einem kohärenten, breitbandigen Pulsspektrometer durchgeführt werden, das speziell auf Messungen in magnetisch geordneten Systemen zugeschnitten ist. Das Spektrometer wird auf Basis eines vom Forschungszentrum Jülich (Deutschland) für dieses Projekt zur Verfügung gestellten Gerätes aufgebaut. Für die Messungen wurden drei spezielle Materialien ausgewählt, die sowohl vom Standpunkt der Grundlagenforschung als auch für mögliche Anwendungen von besonderem aktuellen Interesse sind. In Messungen an Kristallen der Dotierungsreihe PrBa2 Cu3 O6+x soll die Ursache für die Sonderrolle des Pr unter den Seltenen Erden in dieser Struktur geklärt werden, was auch zum besseren mikroskopischen Verständnis der Ladungsträger in den isostrukturellen supraleitenden Kupraten führen sollte. Der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Transporteigenschaften in diesem System soll an Kristallen untersucht werden, in denen unterschiedliche Mikrostrukturen durch geeignete thermische Behandlungen induziert werden. Dies ist von zentraler Bedeutung bei der Optimierung von Isolator/Supraleiter Heterostrukturen, die wegen der guten Gitteranpassung in dieser Strukturfamilie besonders präzise hergestellt werden können, deren Transporteigenschaften aber noch wenig verstanden sind. Die Untersuchungen der lokalen magnetischen Eigenschaften in den dotierten Mangan-Perovskiten R1-x Ex MnO3 (R= Seltene Erde, E = Erdalkali) sollen zum Verständnis der mikroskopischen Ursachen für die bemerkenswerte Korrelation zwischen Magnetismus und Transporteigenschaften in diesem System beitragen. Die Manganate sind anwendungstechnisch durch das Auftreten des sog. kolossalen Magnetowiderstandes von Bedeutung, der mit einem magnetfeldinduzierten Metall-Isolator Übergang einhergeht. Der Effekt Ist bislang auf Temperaturen deutlich unter Raumtemperatur und auf hohe Magnetfelder beschränkt, was Untersuchungen der beteiligten mikroskopischen Prozesse eine zentrale Bedeutung verleiht. Mit Messungen an dünnen Filmen sollen diese für Anwendungen besonders interessanten Proben mikroskopisch charakterisiert und gleichzeitig die Anwendbarkeit der NMR auf Messungen an künstlich strukturierten Filmen untersucht werden. Schließlich ist eine Untersuchung der Spindynamik des gestörten Kondo-Gitters YbCu 5-x AIx geplant. Die Eigenschaften von Kondo-Gittern mit Unordnung haben in jüngster Zeit auf Grund von substantiellen Abweichungen vom Verhalten der Fermi-Flüssigkeiten großes Interesse in der Festkörperphysik gefunden. In einem Bereich des Phasendiagramms, in dem ein Quantenübergang bei T= 0 auftritt, dominieren Spinfluktuationen die thermodynamischen Eigenschaften in einem großen Temperaturbereich und es ist zu erwarten, daß der niederenergetische Anteil dieser Fluktuatinen mit Hilfe der NMR besonders erfolgreich untersucht werden kann.

Ziel des Projekts war der Aufbau eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektrometers für Festkörperspektroskopie, dass an die speziellen Erfordernisse angepasst ist, die bei der Untersuchung kooperativer Phänomene in dotierten Systemen mit elektronischen Korrelationen auftreten. Materialien mit starken elektronischen Korrelationen finden zur Zeit sowohl von technischer Seite als auch in der Grundlagenforschung starkes Interesse, da in den reichhaltigen Phasendiagrammen oft leitende, isolierende, magnetisch geordnete und supraleitende Zustände aneinander grenzen. Die NMR ist mit dem Kernspin als lokaler Sonde besonders geeignet, detaillierte Informationen über den mikroskopischen Zustand von Festkörpern zu liefern, stand aber bislang in Österreich nicht zur Verfügung. Im ersten Abschnitt des Projekts wurde ein kommerzieller Sender und Empfänger um einen selbstentwickelten, rechnersteuerbaren, Pulsgenerator ergänzt, sowie die Programme für Steuerung, Datenerfassung und -auswertung entwickelt. Das Spektrometer ist im Bereich 2.0 - 130 K, bei Frequenzen von 8.0 - 130 MHz, und in Magnetfeldern bis 8 T erfolgreich eingesetzt worden. Zusätzlich wurde eine Hochfrequenzerweiterung für den Bereich 130 - 500 MHz aufgebaut. Mit dem Spektrometer wurde zunächst die Struktur und der magnetische Phasenübergang von CeNiGa2 untersucht. In einem weiteren intermetallischen Magneten, dem ErCo3, wurde sodann erstmals der metamagnetische Phasenübergang von Co in dieser Struktur mit der NMR charakterisiert. Die Beschreibung dieses Übergangs geht von einer Lokalisierung von Bandelektronen in Zuständen am Co aus, die dessen Moment bei tiefen Temperaturen erhöhen. Mit dem Kernspin des Co als Sonde ist die NMR hervorragend geeignet, um dieses Modell zu überprüfen. Besonders erfolgreich waren die Untersuchungen dotierter Hexaferrite. Der Hexaferrit SrFe12O19 hat durch den Preisvorteil gegenüber Seltene-Erd-Magneten seit mehreren Dekaden eine marktbeherrschende Stellung bei Permanentmagneten. Daher löste die Entdeckung einer signifikant erhöhten magnetischen Anisotropie bei gleichzeitiger Dotierung mit La und Co im Jahre 1999 ein erhebliches Interesse am Mechanismus aus, der dieser Verbesserung der magnetischen Eigenschaften zugrunde liegt. Mit dem neuen Spektrometer konnten nicht nur Fe- Linien dotierter Proben untersucht werden, erstmalig wurde durch die Co- und die La-Spektren auch an den Defektpositionen direkt gemessen. So konnte gezeigt werden, dass Co2+ auf f2-Gitterplätzen statt Fe3+ eingebaut wird und so die zusätzlichen Ladungsträger von La3+ kompensiert, dass Sr2+ substituiert. Für die magnetischen Eigenschaften ist besonders wichtig, dass das Co eine low-spin Konfiguration einnimmt. Die Kenntnis dieser elektronischen Konfiguration stellt einen wichtigen Ausgangspunkt für ein mikroskopisches Verständnis der magnetischen Anisotropie und ihrer Steigerung im dotierten Hexaferrit dar.