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Prof. Dr. Joachim Wosnitza
Director
Dresden High Magnetic Field Laboratory
j.wosnitzaAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3524

Dr. Thomas Herrmannsdörfer
Head of department
t.herrmannsdoerferAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3320
Fax: 13320, 3531

Julia Blöcker
Secretary/ Administration
j.bloeckerAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3527
Fax: +49 351 260 - 13527

News

Publication: Entropy Evolution in the Magnetic Phases of Partially Frustrated CePdAl

S. Lucas et al., PRL 118, 107204 

Publication: Ultra-robust high-field magnetization plateau and supersolidity in bond-frustrated MnCr2S4
V. Tsurkan et al., Sci. Adv. 2017;3: e1601982


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EMFL News 1/2017

Forschung an neuen Materialien

Zahlreiche Forschungsthemen

Neben der Unterstützung externer Nutzer existiert am HLD ein fokussiertes eigenes Forschungsprogramm. Gemeinsam mit anderen Forschergruppen im HZDR konzentrieren sich die Aktivitäten vor allem auf die Untersuchung neuartiger stark korrelierter Elektronensysteme sowie aktueller magnetischer, supraleitender oder topologischer Materialien. Insbesondere interessieren dabei Materialien, die zugleich mehrere dieser Eigenschaften vereinen und daher wissenschaftlich und technologisch besonders interessant sind. Auf folgenden Gebieten erfolgt zurzeit eine international anerkannte Eigenforschung:

  • die Aufklärung der elektronischen Struktur neuer Materialien, insbesondere mittels der Messung magnetischer Quantenoszillationen
  • Untersuchungen zu den Eigenschaften magnetischer und supraleitender Materialien
  • Entdeckung von Phasenübergängen in hohen Magnetfeldern und Aufklärung der feldinduzierten Phasen
  • Resonanzexperimente in bisher nicht zugänglichen Feldbereichen auch unter Verwendung der Freie-Elektronen-Laser von ELBE
  • Ausbau des HLD zu einem weltweit führenden Labor im Bereich hoher gepulster Magnetfelder
  • Entwicklung neuer Messmethoden für hohe Magnetfelder
  • Aufbau neuer Pulsfeldapparaturen an externen Großforschungsanlagen, z. B. am European EXFEL (HIBEF)

Phänomen Supraleitung

Supraleitende Übergangstemperaturen
Supraleitende Substanzen und ihre Übergangstemperaturen
Grafik: Marc Uhlarz/HZDR
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Supraleiter sind Stoffe, die elektrischen Strom verlustfrei leiten können. Bei Kühlung unter eine sogenannte "kritische" Temperatur verschwindet deren elektrischer Widerstand  sprunghaft. Zudem werden Magnetfelder aus dem supraleitenden Material verdrängt. Hohe Magnetfelder sind in der Lage, den supraleitenden Zustand zu unterbinden. Kritische Temperaturen der uns heute bekannten Supraleiter liegen weit verteilt zwischen  etwa -273°C (nahe des absoluten Temperatur-Nullpunkts) und rund -70°C. Das Ziel internationaler Forschung ist es, supraleitende Materialien mit immer höheren kritischen Temperaturen ausfindig zu machen bzw. herzustellen. Technologisch können solche Materialien ohne aufwänNMR-Probedige Kühlung genutzt werden. Aber auch die uns heute bekannten supraleitenden Materialien finden bereits breite Anwendung, z. B. in der Medizin und Energietechnik.

Hier finden Sie einen kurzen, unterhaltsamen Film zum Thema Supraleitung.

Supraleitung ist ein grundlegender Forschungsschwerpunkt des HLD. Mit Hilfe hoher Magnetfelder und empfindlicher Messmethoden werden z. B. Hochtemperatursupraleiter (Kuprate, Eisenpniktide) am HLD charakterisiert. Wie die Supraleitung in diesen Materialien funktioniert, wird als eine der größten Herausforderungen an die moderne Festkörperphysik angesehen.  

Hochauflösende Quantenoszillationsmessungen in sehr hohen Magnetfeldern machen beispielweise die Erforschung der elektronischen Bandstruktur von Supraleitern möglich. Die Bestimmung der Phasengrenzlinie zwischen supra- und normalleitendem Zustand erfordert höchste gepulste MagnetfelderFür viele eisenbasierte Supraleiter kann damit das gesamte Feld-Temperatur-Phasendiagramm erschlossen werden. Untersuchungen an diesen Materialien können daher stärker als bisher möglich dazu beitragen, ein besseres Verständnis über die Natur der Supraleitung zu erhalten.

In Kooperation mit Forschern der University of California (Los Angeles) haben Wissenschaftler des HZDR die mikroskopischen Eigenschaften eines sogenannten Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)-Zustands in einem quasi-zwei-dimensionalen organischen Supraleiter identifiziert. Zielführend für die Beobachtung dieser äußerst seltenen Materialeigenschaft in der komplexen Substanz β’’−(ET)2SF5CH2CF2SO3 waren Messungen der spezifischen Wärme und Kernspinresonanz-Untersuchungen. Die FFLO-Phase bildet sich in sehr hohen Magnetfeldern bei exakt paralleler Ausrichtung der hochleitfähigen Gitterebenen zur Magnetfeldrichtung mit einer speziellen räumlich modulierten Struktur aus supraleitenden und normalleitenden Zonen, die mithilfe der Kernspinresonanz mikroskopisch ermittelt werden kann.

Spinstruktur, © Copyright: Helmholtz-Zentrum Berlin, C. Balz et al., Nature Physics 12 (2016), 942

Quanten-Spinflüssigkeiten

Magnetische Materialien können eine erstaunliche Vielfalt statischer und dynamischer mikroskopischer Anordnungen ihrer atomaren magnetischen Momente besitzen. Das HLD widmet sich intensiv der Erforschung solcher Systeme. In einem Kooperationsvorhaben der Helmholtz-Zentren in Berlin und Dresden-Rossendorf konnte das seltene Spin-Flüssigkeitsverhalten in Einkristallen der komplexen magnetischen Verbindung Kalzium-Chrom-Oxid (Ca10Cr7O28) nachgewiesen werden. Anders als in vielen magnetisch ordnenden Materialien (wie Ferro-, Ferri- oder Antiferromagneten) bleiben in sogenannten Quanten-Spinflüssigkeiten Elektronenspins selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beweglich. Das Besondere an der untersuchten Kalzium-Chrom-Sauerstoffverbindung ist, dass nicht nur antiferromagnetische Kopplungen, sondern auch sehr starke ferromagnetische Wechselwirkungen, die nach dem gängigen Modell eine Spinflüssigkeit sogar verhindern müssten, zu magnetisch frustrierten Spineinstellungen und zur Ausbildung der Spinflüssigkeit beitragen.

Riesenmagnetowiderstand in NbP, © Copyright: Yulin Chen, C. Shekhar et al., Nature Physics 11 (2015), 645Topologische Materialien

In bestimmten Festkörpern können Leitungselektronen, anders als freie Elektronen, sich so verhalten, als wären sie masselose relativistische Teilchen. Diese Eigenschaft, die zunächst im zweidimensionalen Graphen oder auch an der Oberfläche sogenannter topologischer Isolatoren beobachtet wurde, kann auch im gesamten Festkörpervolumen auftreten. Die topologischen Eigenschaften von sogenannten Weyl-Halbmetallen und deren neuartige Quanteneigenschaften stehen dabei im Fokus festkörperphysikalischer Forschung.

In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe und der Radboud University in den Niederlanden haben Wissenschaftler des HLD entdeckt, dass der elektrische Widerstand in dem Weyl-Halbmetall NbP extrem steigt, wenn ein starkes Magnetfeld an dem Material anliegt. Dieser Magneto-Widerstand, dem moderne Festplatten ihre hohe Speicherkapazität verdanken, ist bisher vor allem von komplex strukturierten Materialien bekannt. Niobphosphid oder ein Material mit ähnlichen Eigenschaften kommt da als leichter herstellbare Alternative in Frage, die sich leichter herstellen lässt. Dies könnte das Design elektronischer Bauteile künftig wesentlich vereinfachen.


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