BiTel: Ein Material – Zwei Arten von Magnetismus

BiTel besteht aus Bismut-Schichten (Bi), Tellur-Schichten (Tel) und Jod-Atomen (I). Das Material kann paramagnetische und diamagnetische Eigenschaften aufweisen. (Copyright 2012 Mohammad Saeed Bahramy, RIKEN Advanced Science Institute)
BiTel besteht aus Bismut-Schichten (Bi), Tellur-Schichten (Tel) und Jod-Atomen (I). Das Material kann paramagnetische und diamagnetische Eigenschaften aufweisen. (Copyright 2012 Mohammad Saeed Bahramy, RIKEN Advanced Science Institute)

Wenn man eine Aluminium-Kugel neben einem Stabmagneten platziert, bewegt sie sich langsam in Richtung des Magneten. Im Gegensatz dazu bewegt sich eine Kugel aus Silber aus dem Magnetfeld heraus. Die Mechanismen, denen dieses unterschiedliche Verhalten unterliegt, sind als Paramagnetismus beziehungsweise Diamagnetismus bekannt. Überraschenderweise kann das Material namens BiTel – bestehend Bismut-Schichten, Tellur-Schichten und Jod-Atomen – entweder paramagnetisch oder diamagnetisch sein, abhängig davon, wie es präpariert wurde.

Die Entdeckung eines internationalen Forschungsteams unter Leitung von Naoto Nagaosa und Yoshinori Tokura vom RIKEN Advanced Science Institute in Wako war unerwartet, weil sie einen ungewöhnlichen Mechanismus erforderte, um das Material anfangs magnetisch zu machen. In BiTel und verwandten Materialien trägt die Bewegung der Elektronen den größten Teil zu ihrem Magnetismus bei. Elektronen bewegen sich grob gesagt auf Umlaufbahnen um Atomkerne. “Die Orbitalbewegung ist normalerweise ausschließlich mit dem Diamagnetismus verbunden”, erklärt Nagaosa. “Deswegen waren wir überrascht, als unsere Berechnungen vorhersagten, dass es in BiTel auch orbitalen Paramagnetismus gibt.” Die von Tokura geleitete Experimentalgruppe bestätigte die Vorhersage, wie in derselben Abhandlung berichtet wird.

Orbitaler Diamagnetismus wird in einer Vielfalt von Materialien beobachtet, darunter Substanzen, die so alltäglich sind wie Wasser. Bislang wurde die Möglichkeit von orbitalem Paramagnetismus nur in wenigen theoretischen Studien in Betracht gezogen. Ein Mechanismus, der eine paramagnetische Reaktion der Elektronen auf ein Magnetfeld erzeugen kann, ist als Spin-Bahn-Kopplung bekannt. Diese Kopplung verknüpft die Ladung des Elektrons mit seinem Spin – dem inneren Drehimpuls von Elektronen, der auch für ihr magnetisches Verhalten verantwortlich ist. In BiTel ist die Spin-Bahn-Kopplung besonders stark, was es zu einem idealen Material für die Erforschung von ungewöhnlichen Effekten des orbitalen Magnetismus macht.

Um orbitalen Paramagnetismus in BiTel hervorzurufen, muss die Anzahl der Elektronen kontrolliert werden, die sich durch den Kristall bewegen. Nagaosa und seine Kollegen fanden einen bestimmten Bereich, in dem das Material paramagnetisch ist. Sie zeigten allerdings, dass es auch einen Bereich gibt, in dem der orbitale Diamagnetismus deutlich verstärkt ist. Dadurch wird es möglich, die Art und Weise grundlegend zu verändern, wie das Material auf ein Magnetfeld reagiert.

Technologische Anwendungen zu finden, bleibt eine Aufgabe für die Zukunft, aber Nagaosa erwartet, dass diese ungewöhnlichen Verhaltensweisen in einem breiten Spektrum von Materialien auftreten. “Andere Bismut-Verbindungen, die mit BiTel verwandt sind, sollten ähnliche Effekte zeigen, aber es könnte [auch] völlig andere Festkörper mit orbitalem Paramagnetismus geben”, erklärt er. “In der Tat haben wir theoretische Belege dafür, dass die von uns beschriebenen Effekte beispielsweise auch in verschiedenen Situationen in Graphen-ähnlichen Materialien auftreten.”

Quelle: http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/7076.html

(THK)

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