µSR - Myonenspinrotation am 18.01.2005 von Julia Repper

Übersicht Wozu µSR? Was sind Myonen? Wie funktioniert µSR? Eigenschaften Entstehung Wie funktioniert µSR? verschiedene Experimentierkonfigurationen Vergleich mit anderen Methoden µSR, Julia Repper

Wozu µSR? µSR = Myonen- Spin- Rotation/ Relaxation/ Resonanz sensible Methode um in kondensierter Materie Interne Magnetfelder und Elektronen - Konfigurationen zu messen Messung auf atomarer Ebene µSR, Julia Repper

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Was sind Myonen? Myoneneigenschaften I Myonen sind wie Elektronen Leptonen µ+ und µ- µ+ verhält sich wie ein Proton in Materie (Abstoßung durch Gitteratome) interstitielle Gitterplätze µ- verhält sich wie ein Elektron in Materie wird von Atom auf Bohrschen Bahnen eingefangen µSR, Julia Repper

Myoneneigenschaften II Spin 1/2 Masse 105,659 Mev/c² (206,769 me) gyromagnetisches Verhältnis 8,5161 • 108 rad/sT Zerfall Mittlere Lebensdauer 2,197 µs Polarisation im Ruhesystem 100% Charakter leichtes Proton µSR, Julia Repper

Myonen und ihre Entstehung Entstehungsreaktion: => Pionen notwendig Pionen aus hochenergetischen Proton-Proton-Stößen (z. B. beschleunigtes Proton auf Beryllium-Target) µSR, Julia Repper

Bild µSR, Julia Repper

Schöner Nebeneffekt, sehr von Vorteil: bei bzw. Schöner Nebeneffekt, sehr von Vorteil: µ ist zu 100% polarisiert (vorrausgesetzt π ist in Ruhe) Pionenspin = 0 (Meson) wegen maximaler Paritätsverletzung der schwachen WW: Neutrinos haben immer negative, Antineutrions immer positive Helizität (Anti)-Neutrinospin = (+)- ½ Myonenspin = (+)- ½ µSR, Julia Repper

Schema Pionenzerfall µ+ υµ π+ S=0 S= -1/2 µSR, Julia Repper

Paritätsverletzung Bild µSR, Julia Repper

Myonen und ihre Erzeugung I Oberflächen-Myonen π müssen in Target zur Ruhe kommen Zerfall π in µ in Target Damit µ weiter verwendet werden können müssen sie aus Target raus kommen können Funktioniert nur an Oberfläche µSR, Julia Repper

isotroper Pionenzerfall nur bei µ+ einsetzbar, µ- werden sofort durch Atome weggefangen und kommen nicht mehr aus Target raus µSR, Julia Repper

Myonen und ihre Erzeugung II Schnelle Myonen Pionenzerfall auch im Flug möglich Keine 100% Polarisation mehr (da µ- Spinrichtung mit µ- Emissionsrichtung zusammenhängt und hier gemittelt werden muss) ○ ○ bei µ+ und µ- einsetzbar µSR, Julia Repper

Bei beiden Methoden: Myonen über geeignetes Strahlleitersystem zur Probe führen (Magneten etc.) 2 Strahltypen Kontinuierlicher Myonenstrahl Gepulster Myonenstrahl µSR, Julia Repper

µSR- Forschungseinrichtungen weltweit µSR, Julia Repper

Wie funktioniert µSR? µ zerfällt nach 2,2 µs Zerfall ist anisotrop Positronenemission bevorzugt in Spinrichtung des µ µSR, Julia Repper

Messung der Positronenverteilung Relativ hohe Energien leicht nachweisbar Messung der bevorzugten Emissionsrichtung Aufschluss über Spineinstellung µ µSR, Julia Repper

Anisotropie e+ µSR, Julia Repper

Magnetfelduntersuchungen lokales Magnetfeld Bµ am Myonenort der Myonenspin präzediert auch die Emissionswahrscheinlichkeit präzediert µSR, Julia Repper

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= Larmorfrequenz = Winkel zw. Anfangspolarisation und Teleskoprichtung = Lebensdauer Myon = 2,2µs = zeitunabhängiger Untergrund = Polarisation Es sind auch mehrere sich überlagernde Signale möglich, da verschiedene Myonen verschiedene lokale Magnetfelder spüren können. µSR, Julia Repper

Messauswertung direkt das lokale Magnetfeld Bµ am Myonenort µSR, Julia Repper

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Lokales Bµ am Myonenort In ferromagnetischen Metallen: Bfermi = Fermi-Kontaktfeld: durch WW zw. s-Elektronen und magnetischem Kernmoment µSR, Julia Repper

bei µSR oft: Bext=Bdem=0 BL und Bdip können berechnet werden (z. B. hypothetische Hohlkugel, ungestörter Kristall: ) Aus Messung Bµ folgt direkt physikalisch interessantes BFermi µSR, Julia Repper

Schwierigkeiten beim Auswerten µ beeinflusst seine (magnetische) Umgebung genauer Aufenthaltsort µ im Gitter nicht bekannt Gitterführungsexperimente nötig µSR, Julia Repper

Experimentelle Konfigurationen von µSR Myonen Spin Resonanz (µSR) Null-Feld-Myonen-Spin-Relaxation (ZF- µSR) Transversal-Feld-Myonen-Spin-Rotation (TF- µSR) µSR, Julia Repper

Myonen Spin Resonanz (µSR) Mischung aus NMR und ESR Statisches Bext parallel zur Myonenspinpolarisation wird an Probe angelegt Kernspinaufspaltung mit boltzmannverteilten Besetzungen µSR, Julia Repper

Resonanzfrequenz-Magnetfeld HF anlegen Wenn Resonanzfeld Präzessionsfreqeunz erreicht hat Resonanzabsorption HF-Feld wird geschwächt Peak erkennbar µSR, Julia Repper

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Null-Feld-Myonen-Spin-Relaxation (ZF- µSR) Es wird kein externes Feld an die Probe angelegt sehr sensible Methode in Bezug auf Schwache interne magnetische Effekte hervorgerufen durch gerichtete magnetische Momente Unvorhergesehene statische oder zeitabhängige Magnetfelder µSR, Julia Repper

Bild ZF-µSR µSR, Julia Repper

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Transversal-Feld-Myonen-Spin-Rotation (TF- µSR) I Probe wird in ein zum einfallenden Myonenstrahl transversales externes Magnetfeld gebracht µ präzediert um Bext mit einer Frequenz die von der Stärke des Magnetfeldes am Myonenort abhängig ist µSR, Julia Repper

Transversal-Feld-Myonen-Spin-Rotation (TF- µSR) II Besonders geeignet zur Messung von Magnetfeldverteilungen in Supraleitern 2. Art Knight- Shifts (Resonanzfrequenzverschiebung) v.a. zum Studium der Leitungselektronen µSR, Julia Repper

Bild TF-µSR µSR, Julia Repper

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Anwendungsbeispiel TF-µSR Ultra-niedrig-energetische Myonen können dazu benutzt werden die absolute Eindringtiefe λ eines Magnetfeldes in einen Supraleiter zu bestimmen Hier YBa2Cu3O6,95: Sprungtemperatur: ~90K µSR, Julia Repper

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Vorteile µSR gegenüber anderen FK-Untersuchungmethoden µSR kann auch sehr kleine interne magnetische Felder (~0,1G) auflösen Mit µSR kann bei Frequenzen von 104 – 1012 Hz messen Großes Zeitfenster, überbrückt Lücke zwischen NMR und Neutronenbeugung µSR, Julia Repper

Bild time-window µSR, Julia Repper

µSR ist unabhängig vom zu untersuchenden Material µSR kann unter nahezu allen Umständen angewandt werden z. B. beliebige Temperatur hohe Drücke hohe externe Magnetfelder (bis 8T) µSR kann auch bei sehr kleinen Proben (~10-1 cm²) angewendet werden (Ultra-niedrig-Energie-µ) µSR, Julia Repper

Literaturverzeichnis G. Schatz/A. Weidinger: Nukleare Festkörperphysik, Teubner Verlag Stuttgart Ch. Kittel: Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg Povh: Teilchen und Kerne, Springer http://cmms.triumf.ca http://www.psi.ch µSR, Julia Repper