Techniklexikon

niedrigdimensionaler Magnetismus

Festkörperphysik, Phänomen in Systemen, die meist aus schwach gekoppelten Ketten oder Flächen von Spins bestehen. Theoretische Arbeiten an 1-dimensionalen sog. Ising-Magneten gibt es seit den 20er Jahren, die später um 2d-Ising-Magnete erweitert wurden. Oft findet man, dass das für die isolierte Kette vorhergesagte Verhalten im realen System zu einem erstaunlich hohen Grad bestätigt wird.

2-dimensionale magnetische Systeme können durch magnetische Separation mit kristallstrukturellen Methoden ebenso hergestellt werden wie durch die Verdampfung von mono- oder oligoatomaren Schichten von magnetischen Metallen auf Substrate, Deposition von Monolayern organischer Moleküle, die magnetische Atome enthalten, auf Substrate mit der Langmuir-Blodgett-Technologie, Adsorption von ³He-Schichten auf Substrate oder als 2d-Elektronengas (MOS-Feldeffekttransistoren, Elektronen auf He).

Die bedeutendsten Beiträge des niedrigdimensionalen Magnetismus zur Physik liegen in der Theorie der Phasenübergänge und kritischen Phänomene. Das Konzept der Phasenübergänge findet in der Physik weit verbreitete Anwendung. Die meisten physikalischen Probleme, die sich mit miteinander wechselwirkenden Elementen, die ein räumliches Gitter bilden, beschäftigen, können in einen Pseudospin-Formalismus, d.h. in eine »magnetische Sprache«, übersetzt werden. Dieselbe Physik, die magnetischen Systemen zugrunde liegt, ist damit auch z.B. auf strukturelle Übergänge, Quantenflüssigkeiten, Flüssigkeiten, Gas-flüssig-Übergänge, binäre Legierungen, elektrische Phasenübergänge oder das Schmelzen von Festkörpern anwendbar.

Auch die undotierten Muttersubstanzen der Hochtemperatur-Supraleiter wie z.B. La₂CuO₄ sind isolierende, vorwiegend ionische, antiferromagnetische Schichtverbindungen. Sie zählen zu den besten Realisierungen 2-dimensionaler Antiferromagnetika, und die Bedeutung ihrer magnetischen Eigenschaften erweisen sich als wesentlich für ihre Supraleitung.

Der allgemeinste Hamilton-Operator, der niedrigdimensionalen Magnetismus beschreibt,

besteht aus einem Konglomerat von Termen, die drei Modellen zugeordnet werden können:

Das Heisenberg-Modell ist eine Idealisierung reiner Austausch-Magnete. Die einfachste Anregung eines 2d-Heisenberg-Modells sind Spindichtewellen. Das XY-Modell, das Magnete mit Anisotropie in der leichten Achse darstellt, ist ein Gittermodell klassischer Spins, die in einer Ebene rotieren und miteinander wechselwirken. Im Ising-Modell, das ein ideales Gitter darstellt, in dem ideale magnetische Momente auf allen Gitterplätzen sitzen, gibt es für jeden Spin nur zwei Einstellmöglichkeiten.

Rb₃CoCl₅ ist ein Beispiel für einen 3d-Antiferromagneten vom Ising-Typ (Néel-Temperatur T_N = 1,14 K), Cs₃CoBr₅ (T_N = 0,282 K) und K₂CoF₄ sind die besten Realisierungen von 2d-Ising-Magneten. Rb₂NiF₄ und BaNiF₄ sind Beispiele für 2d-Heisenberg-Antiferromagneten und CrX₃ mit X = I, Cl, Br sind Heisenberg-Ferromagneten. Ein Beispiel für 2d-XY-Modell-Magnete ist CoX₂· 6H₂O, X = Cl, Br.