Het is heel moeilijk om een ​​foto te maken van een kolibrie die 50 keer per seconde met zijn vleugels klappert. De belichtingstijd moet veel korter zijn dan de karakteristieke tijdschaal van de vleugelslag, anders zie je alleen een kleurrijke vervaging. Een soortgelijk probleem doet zich voor in de vastestoffysica, waarbij het doel is om de magnetische eigenschappen van een materiaal te bepalen. Het magnetische moment op een bepaalde locatie kan heel snel veranderen. Daarom, onderzoekers hebben meetmethoden nodig die snel genoeg zijn om deze fluctuaties op te lossen. Met dit basisidee in het achterhoofd, wetenschappers aan de TU Wien (Wenen), in samenwerking met onderzoeksgroepen uit Würzburg (Duitsland), is er nu in geslaagd een puzzel van de vastestoffysica op te lossen.

Magnetisme en supergeleiding

"Als je een stof wilt begrijpen, je moet de magnetische eigenschappen ervan begrijpen, " zegt prof. Alessandro Toschi van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Ze vertellen ons niet alleen hoe het materiaal reageert op magnetische velden, ze zijn ook nauw verwant aan andere eigenschappen van het materiaal, bijvoorbeeld zijn elektrisch gedrag." Magnetische materiaaleigenschappen spelen een bijzonder belangrijke rol bij het zoeken naar supergeleiders bij hoge temperaturen.

Echter, onderzoekers ontdekten herhaaldelijk dat verschillende metingen van het magnetisme van bepaalde materialen tot verschillende resultaten leiden. "Soms werden er helemaal geen resultaten van betekenis verkregen, soms leidden verschillende meetmethoden tot tegenstrijdige gegevens, " zegt Clemens Watzenböck (Instituut voor Vaste-stoffysica, TU Wenen). "We hebben dit mysterie nu kunnen oplossen met puur theoretische berekeningen."

De mobiliteit van de elektronen

Het team uit Wenen en Würzburg kon aantonen dat de mobiliteit van de elektronen in het materiaal bepaalt met welke methoden de magnetische eigenschappen kunnen worden gemeten. “De spin van de elektronen in het materiaal veroorzaakt een magnetisch moment dat vrij spontaan fluctueert. Deze magnetische fluctuaties worden veroorzaakt door de natuurlijke beweging van de elektronen. het magnetische moment kan ook heel snel worden opgeheven door de beweging van de elektronen, " zegt Toschi. "Hoe sneller de elektronen in het materiaal kunnen bewegen, hoe sneller ze het optreden van een magnetisch moment kunnen verdoezelen."

Dit betekent dat als er een proces in het materiaal is dat de elektronen vertraagt, bijv. sterke verstrooiing met andere elektronen of met de trillende atomen van het materiaal zodat ze niet meer zo snel in het kristal kunnen bewegen - dan blijft het bijbehorende magnetische moment veel langer meetbaar.

"We hebben een methode ontwikkeld waarmee we kunnen achterhalen, door verfijnde theoretische analyses en numerieke simulaties, op welke typische tijdschaal de magnetische momenten in een bepaald materiaal worden afgeschermd, ", legt Watzenböck uit. Het magnetische moment kan alleen worden gemeten als je een meetmethode hebt die een resultaat oplevert op een kortere tijdschaal. Als de meting langer duurt, je krijgt alleen een wazig gemiddeld resultaat - vergelijkbaar met wanneer je een kolibrie fotografeert met een lange belichtingstijd.

IJzeren supergeleiders

Het onderzoeksteam kon deze benadering toepassen op de bijzonder belangrijke materiaalklasse van op ijzer gebaseerde supergeleiders. "We hebben kunnen aantonen dat de karakteristieke tijdschaal van magnetische fluctuaties in deze supergeleiders in een orde van grootte verschilt, afhankelijk van het materiaal - het varieert van ongeveer 3 femtoseconden tot ongeveer 30 femtoseconden, " meldt Clemens Watzenböck.

Dit verklaart waarom de resultaten van inelastische neutronenexperimenten gemakkelijk te interpreteren zijn voor sommige materialen en niet voor andere:de tijdschaal van dergelijke neutronenexperimenten is ongeveer 10 femtoseconden. Kort genoeg voor sommige materialen, maar te lang voor anderen. Indien, anderzijds, andere meetmethoden worden gebruikt, zoals röntgenspectroscopie, die op een kortere tijdschaal werkt, het magnetische moment van al deze materialen moet duidelijk zichtbaar blijven.

De nieuw ontwikkelde methode voor het berekenen van karakteristieke tijdschalen van materialen kan niet alleen worden toegepast op magnetische eigenschappen, maar ook op andere belangrijke materiaaleigenschappen. "We gaan ervan uit dat onze nieuwe methode in de toekomst zeer nuttig zal zijn voor het plannen en correct interpreteren van een breed scala aan spectroscopische experimenten, " zegt Alessandro Toschi, "Er zijn nog veel open vragen op dit gebied - met onze methode willen we nu de fysica van bekende materialen beter begrijpen en zelfs het zoeken naar nieuwe, betere materialen, zoals supergeleiders met hoge kritische temperaturen."