Hvorfor forskellige målinger af materialegenskaber nogle gange giver forskellige resultater

Det er meget svært at tage et foto af en kolibri, der blafrer med vingerne 50 gange i sekundet. Eksponeringstiden skal være meget kortere end den karakteristiske tidsskala for vingeslaget, ellers vil du kun se en farverig sløring. Et lignende problem er stødt på i solid-state fysik, hvor målet er at bestemme et materiales magnetiske egenskaber. Det magnetiske øjeblik på et bestemt sted kan ændre sig meget hurtigt. Derfor, forskere kræver målemetoder, der er hurtige nok til at løse disse udsving. Med denne grundtanke i tankerne, forskere ved TU Wien (Wien), i samarbejde med forskergrupper fra Würzburg (Tyskland), er det nu lykkedes at løse et puslespil om fysik i fast tilstand.

Magnetisme og superledning

"Hvis du vil forstå et materiale, du er nødt til at forstå dens magnetiske egenskaber, "siger prof. Alessandro Toschi fra Institute of Solid State Physics på TU Wien." De fortæller os ikke kun, hvordan materialet reagerer på magnetfelter, de er også tæt forbundet med andre egenskaber ved materialet - f.eks. dets elektriske adfærd. "Magnetiske materialegenskaber spiller en særlig vigtig rolle i søgen efter superledere ved høj temperatur.

Imidlertid, forskere fandt gentagne gange, at forskellige målinger af magnetismen af ​​visse materialer fører til forskellige resultater. "Nogle gange blev der slet ikke opnået nogen meningsfulde resultater, nogle gange førte forskellige målemetoder til modstridende data, "siger Clemens Watzenböck (Institute for Solid State Physics, TU Wien). "Vi var nu i stand til at løse dette mysterium med rent teoretiske beregninger."

Elektronernes mobilitet

Teamet fra Wien og Würzburg var i stand til at vise, at elektronernes mobilitet i materialet bestemmer, hvilke metoder der kan bruges til at måle de magnetiske egenskaber. "Elektronernes spin i materialet forårsager et magnetisk moment, der svinger ganske spontant. Disse magnetiske udsving er forårsaget af elektronernes naturlige bevægelse. Derfor, magnetmomentet kan også annulleres meget hurtigt ved elektronernes bevægelse, "siger Toschi." Jo hurtigere elektronerne kan bevæge sig inde i materialet, jo hurtigere kan de skjule forekomsten af ​​et magnetisk moment. "

Det betyder, at hvis der er en proces i materialet, der bremser elektronerne - f.eks. stærk spredning med andre elektroner eller med materialets vibrerende atomer, så de ikke længere kan bevæge sig meget hurtigt i krystallen - så forbliver det tilsvarende magnetiske moment målbart meget længere.

"Vi har udviklet en metode, der giver os mulighed for at finde ud af, gennem raffinerede teoretiske analyser og numeriske simuleringer, på hvilken typisk tidsskala de magnetiske øjeblikke i et bestemt materiale er afskærmet, "forklarer Watzenböck. Det magnetiske moment kan kun måles, hvis du har en målemetode, der giver et resultat på en kortere tidsskala. Hvis målingen tager længere tid, du får kun et sløret gennemsnitligt resultat - svarende til når du fotograferer en kolibri med lang eksponeringstid.

Jern superledere

Forskerteamet var i stand til at anvende denne tilgang til den særlig vigtige materialeklasse af jernbaserede superledere. "Vi var i stand til at vise, at den karakteristiske tidsskala for magnetiske udsving i disse superledere adskiller sig med en størrelsesorden afhængigt af materialet - den spænder fra ca. 3 femtosekunder til ca. 30 femtosekunder, "rapporterer Clemens Watzenböck.

Dette forklarer, hvorfor resultaterne af uelastiske neutronforsøg er lette at fortolke for nogle materialer og ikke for andre:Tidsskalaen for sådanne neutronforsøg er omkring 10 femtosekunder. Kort nok til nogle materialer, men for lang tid for andre. Hvis, på den anden side, andre målemetoder anvendes, såsom røntgenspektroskopi, der fungerer på en kortere tidsskala, Det magnetiske moment for alle disse materialer skal forblive klart synligt.

Den nyudviklede metode til beregning af karakteristiske tidsskalaer for materialer kan ikke kun anvendes på magnetiske egenskaber, men også på andre vigtige materialegenskaber. "Vi går ud fra, at vores nye metode vil være meget nyttig i fremtiden til planlægning og korrekt fortolkning af en lang række spektroskopiske eksperimenter, "siger Alessandro Toschi, "Der er stadig mange åbne spørgsmål på dette område - med vores metode ønsker vi nu bedre at forstå fysikken i kendte materialer og endda lette søgningen efter nye, bedre materialer, såsom superledere med høje kritiske temperaturer. "