Det är väldigt svårt att ta ett foto av en kolibri som viftar med vingarna 50 gånger per sekund. Exponeringstiden måste vara mycket kortare än den karakteristiska tidsskalan för vingslaget, annars ser du bara en färgstark oskärpa. Ett liknande problem påträffas i solid-state fysik, där målet är att bestämma ett materials magnetiska egenskaper. Det magnetiska ögonblicket på en viss plats kan förändras mycket snabbt. Därför, forskare kräver mätmetoder som är tillräckligt snabba för att lösa dessa fluktuationer. Med denna grundidé i åtanke, forskare vid TU Wien (Wien), i samarbete med forskargrupper från Würzburg (Tyskland), har nu lyckats lösa ett pussel om fysik i fast tillstånd.

Magnetism och supraledning

"Om du vill förstå ett material, du måste förstå dess magnetiska egenskaper, "säger professor Alessandro Toschi från Institute of Solid State Physics vid TU Wien." De berättar inte bara hur materialet reagerar på magnetfält, de är också nära besläktade med andra egenskaper hos materialet - t.ex. dess elektriska beteende. "Magnetiska materialegenskaper spelar en särskilt viktig roll i sökandet efter högtemperatur superledare.

Dock, forskare fann upprepade gånger att olika mätningar av magnetism av vissa material leder till olika resultat. "Ibland uppnåddes inga meningsfulla resultat alls, ibland ledde olika mätmetoder till motsägelsefulla data, "säger Clemens Watzenböck (Institute for Solid State Physics, TU Wien). "Vi kunde nu lösa detta mysterium med rent teoretiska beräkningar."

Elektronernas rörlighet

Teamet från Wien och Würzburg kunde visa att elektronernas rörlighet i materialet avgör vilka metoder som kan användas för att mäta de magnetiska egenskaperna. "Elektronernas snurr i materialet orsakar ett magnetiskt moment som fluktuerar ganska spontant. Dessa magnetiska fluktuationer orsakas av elektronernas naturliga rörelse. Därför, magnetmomentet kan också avbrytas mycket snabbt genom elektronernas rörelse, "säger Toschi." Ju snabbare elektronerna kan röra sig inuti materialet, desto snabbare kan de dölja förekomsten av ett magnetiskt ögonblick. "

Det betyder att om det finns en process i materialet som bromsar elektronerna - t.ex. stark spridning med andra elektroner eller med materialets vibrerande atomer så att de inte längre kan röra sig mycket snabbt i kristallen - då förblir motsvarande magnetmoment mätbart mycket längre.

"Vi har utvecklat en metod som gör att vi kan ta reda på, genom förfinade teoretiska analyser och numeriska simuleringar, på vilken typisk tidsskala de magnetiska momenten i ett visst material är avskärmade, "förklarar Watzenböck. Det magnetiska momentet kan bara mätas om du har en mätmetod som ger ett resultat på en kortare tidsskala. Om mätningen tar längre tid, du får bara ett suddigt genomsnittligt resultat - ungefär som när du fotograferar en kolibri med lång exponeringstid.

Järn superledare

Forskargruppen kunde tillämpa detta tillvägagångssätt på den särskilt viktiga materialklassen av järnbaserade superledare. "Vi kunde visa att den karakteristiska tidsskalan för magnetiska fluktuationer i dessa superledare skiljer sig med en storleksordning beroende på material - den sträcker sig från cirka 3 femtosekunder till cirka 30 femtosekunder, ”rapporterar Clemens Watzenböck.

Detta förklarar varför resultaten av oelastiska neutronförsök är lätta att tolka för vissa material och inte för andra:Tidsskalan för sådana neutronförsök är cirka 10 femtosekunder. Kort nog för vissa material, men för länge för andra. Om, å andra sidan, andra mätmetoder används, såsom röntgenspektroskopi, som fungerar på en kortare tidsskala, magnetmomentet för alla dessa material bör förbli klart synligt.

Den nyutvecklade metoden för att beräkna karakteristiska tidsskalor för material kan tillämpas inte bara på magnetiska egenskaper utan även på andra viktiga materialegenskaper. "Vi antar att vår nya metod kommer att vara mycket användbar i framtiden för att planera och korrekt tolka en mängd olika spektroskopiska experiment, säger Alessandro Toschi, "Det finns fortfarande många öppna frågor på detta område - med vår metod vill vi nu bättre förstå fysiken för kända material och till och med underlätta sökandet efter nya, bättre material, som superledare med höga kritiska temperaturer. "