Magnetostriktion der leichten Selten Erd Metalle

Die Längenänderung magnetischer Materialien bei der Applikation eines magnetischen Feldes, d.h. die Magnetostriktion ist eine fundamentale physikalischen Meßgröße. Technische Anwendungen der Magnetostriktion reichen von der Erzeugung von Ultraschall bis zu hochgenauen Positioniereinrichtungen. Um derartige Materialien zu optimieren wird ein fundamentales Verständnis der magnetoelastischen Wechselwirkungen benötigt. Die aktuellen Modelle bauen auf einer großen verfügbaren Datenbasis auf und es ist daher verwunderlich, daß einiger der wichtigsten magnetischen Materialien, nämlich die Selten Erd Elemente, noch nicht vollständig charakterisiert wurden. Das ist das Ergebnis einer sorgfältige Literaturstudie der verfügbaren Daten, die seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts publiziert wurden, also seit der Zeit, als die Selten Erd Metalle in hoher Reinheit verfügbar sind. Die Magnetostriktion der leichten Seltenen Erden Sm, Eu, Ce und Tm ist nicht dokumentiert. Die Messugen der Magnetrostriktion an Selten Erde Einkristallen Sm, Tm und Eu bedarf (bei Nutzung der heute verfügbaren Technik zur Probenpräparation und der von uns entwickelten Methode der Dilatometrie) nach unserer Einschätzung der Finanzierung des beantragten kurzen Forschungsprojekts (Kosten 73.000 Euro). Die Motivation für diese Untersuchungen bildet nicht allein der Umstand, daß wichtige Daten nicht verfügbar sind, sondern darüberhinaus die neuen physikalischen Erkenntnisse, die zu erwarten sind. Derzeit werden verschiedene Mechanismen diskutiert, die die Magnetostriktion der Selten Erd Elemente und - Verbindungen erklären könnten. Die traditionelle Ansicht, daß nur Kristallfeldeffekte verantwortlich für die Magnetostriktion sind, musste kürzlich grundlegend modifiziert werden auf Grund von neuen Messdaten an Gadolinium und seinen Verbindungen. Die in diesem Projekt geplanten Messungen sollen einer Weiterentwicklung der Modellbildung für die Magnetostriktion dienen und wir erwarten, neue Mechanismen für magnetoelastische Wechselwirkungen zu finden. Besonderes Augenmerk legen wir dabei auf das Element Samarium, da hier die fast vollständige Kompensation von Spin- und Bahnmoment aussergewöhnliche Effekte erwarten läßt. Die Messungen sollen in einem Miniatur - Kapazitäts - Dilatometer durchgeführt werden, welches von uns entwickelt wurde. Nach aufwendigen Tests kam dieses bereits bei einer Vielzahl von verschiedenen Matierialien zum Einsatz und wird derzeit erfolgreich in einer Reihe von Hochfeldlaboratorien in Europe für Magnetostriktionsmessungen verwendet. Der vollständige Magnetostriktionstensor soll durch Anlegen eines Magnetfelds bis zu 11 Tesla und Messungen der Längenänderungen in die verschiedenen kristallographischen Richtungen ermittelt werden. Höhere Felder sollen in speziellen Hochfeldlabors genutzt werden (Dresden, Grenoble).

Eine Million Mal so stark wie das Magnetfeld der Erde, 50.000 Mal so stark wie ein großer Hufeisenmagnet: Mit einer Feldstärke von 45 Tesla hält das Hochfeldlabor der USA (NHMFL)- in Tallahassee, Florida - derzeit den irdischen Rekord. Erzeugt wird dieses gigantische Magnetfeld mit einer Kombination aus supraleitenden Spulen und einer "normalen" Spule aus Kupfer (Stromstärke 40.000 Ampere), die mit Wasser unter hohem Druck (50 Bar) gekühlt wird. Das hohe Magnetfeld herrscht dann nur in einer Bohrung von 32mm Durchmesser: dort wurden Proben platziert und untersucht, wie diese Materialien im Magnetfeld ihre Form ändern. So kann sich die Länge eines Kristalls in einer Richtung um bis zu 10% ändern. Diese "Magnetostriktion" beruht darauf, dass ein Magnetfeld die Abstände zwischen den Atomen im Kristallgitter verändert. Zunächst beeinflusst es die Elektronen, die ja sowohl einen Spin als auch einen Bahndrehimpuls haben - und damit, da sie elektrisch geladen sind, ein magnetisches Moment. Insbesondere wurde in dem FWF-Projekt mit Seltenen Erden (Lanthaniden) gearbeitet, das sind Elemente wie Cer (Ce), Neodym (Nd), Samarium (Sm) oder Gadolinium (Gd), die ziemlich weit unten, meist in einer eigenen Reihe, im Periodensystem stehen, aber gar nicht so selten sind. Sie sind einander nur ziemlich ähnlich, was daran liegt, dass sie alle in den äußersten Schalen (5d, 6s) gleich viele Elektronen haben und sich nur in der Anzahl der 4f-Elektronen unterscheiden, die sich näher am Atomkern aufhalten. Daher "spüren" die 4f- Elektronen, die den Magnetismus ausmachen, auch nicht so stark den Einfluss der benachbarten Atome, sie sind abgeschirmt durch die s- und d-Elektronen. So kann man die magnetischen Eigenschaften der Lanthaniden recht gut auf die Eigenschaften der einzelnen Atome zurückführen. Das erleichtert die theoretische Behandlung. Wie das magnetische Moment der Atome das Kristallgitter beeinflusst, wird in der Kristallfeldtheorie einfach über ein klassisches elektrisches Feld erklärt. Diese Erklärung reicht aber nicht immer, etwa nicht für Sm oder Gd. Hier muss man auch magnetische Wechselwirkungen berücksichtigen. Der Mechanismus ist ähnlich wie bei zwei Stabmagneten: wenn man sie so aufeinander legen will, dass die beiden Nordpole beieinander sind, spürt man eine starke Kraft, die dagegen wirkt. Kann man einen der beiden Stabmagnete durch ein äußeres Feld um 180 Grad drehen, dann kann man die beiden aber ganz leicht aufeinander legen. Entsprechend ergibt sich, wenn man Atome mit magnetischem Moment dreht, eine Kraft, die den Abstand zwischen den Atomen ändert. Wie stark das erforderliche äußere Magnetfeld dafür sein muss, hängt von der Größe des magnetischen Moments ab. Und das ist bei Sm ungewöhnlich klein (weil Spin und Bahndrehimpuls einander fast kompensieren). Das war der Grund für die Messungen am NHMFL, wo man ausreichend hohe Felder erzeugen kann. Bei einer weiterführenden Untersuchung dieses Magnetostriktionsmechanismus an einer Vielzahl von Materialien wurde ein Paradoxon entdeckt, welches in der Fachwelt großes Interesse findet. Weiters wurde die Messmethodik der Magnetostriktion an kleinen Proben patentiert sowie Software zur Modellierung magnetischer Eigenschaften entwickelt. Die Stadt Wien hat im Rahmen des Projekts eine Studie in Auftrag gegeben, um die Voraussetzungen für die Errichtung eines Hochfeldlabors nach dem Vorbild des NHMFL in Wien zu ermitteln. Ganz unpraktisch wäre das nicht: Magnetostriktion wird bereits technisch angewendet, etwa zur Erzeugung von Ultraschall und für hochgenaue Positionierungseinrichtungen. Das Verhalten von Materie in sehr hohen Magnetfeldern ist hingegen noch kaum erforscht und könnte technisch nutzbare Effekte beinhalten.