ΜSR - Myonenspinrotation am 18.01.2005 von Julia Repper.

µSR - Myonenspinrotation

am 18.01.2005

von Julia Repper

µSR, Julia Repper 2

Übersicht

• Wozu µSR?

• Was sind Myonen?– Eigenschaften – Entstehung

• Wie funktioniert µSR?

• verschiedene Experimentierkonfigurationen

• Vergleich mit anderen Methoden


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


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

• pµ mgm10

11098,183 27


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

µeeµ


Myonen und ihre Entstehung

• Entstehungsreaktion:

=> Pionen notwendig

• Pionen aus hochenergetischen Proton-Proton-Stößen

(z. B. beschleunigtes Proton auf Beryllium-Target)

µ

ns

µ 26

)500( MeVE nppp


Bild

µ

ns

µ 26


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 = (+)- ½Myonenspin = (+)- ½

µ

ns

µ 26

µ

ns

µ 26

ps

psh


µ+ υµ

π+

S=0S= -1/2 S= -1/2

Schema Pionenzerfall


Paritätsverletzung Bild


Myonen und ihre Erzeugung I

• Oberflächen-Myonenπ 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


• isotroper Pionenzerfall

•

• nur bei µ+ einsetzbar,

µ- werden sofort durch Atome weggefangen und kommen nicht mehr aus Target raus

MeVEµ

1,4


Myonen und ihre Erzeugung II

• Schnelle MyonenPionenzerfall 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

MeVEµ 12050


• Bei beiden Methoden:

Myonen über geeignetes Strahlleitersystem zur Probe führen (Magneten etc.)

• 2 Strahltypen– Kontinuierlicher Myonenstrahl – Gepulster Myonenstrahl


µSR- Forschungseinrichtungen weltweit


Wie funktioniert µSR?

• µ zerfällt nach 2,2 µs

•

• Zerfall ist anisotrop Positronenemission bevorzugt in

Spinrichtung des µ

µeeµ


Messung der Positronenverteilung

Relativ hohe Energien leicht nachweisbar Messung der

bevorzugten Emissionsrichtung

Aufschluss über Spineinstellung µ


Anisotropie e+


Magnetfelduntersuchungen

• lokales Magnetfeld Bµ am Myonenort

der Myonenspin präzediertauch die Emissionswahrscheinlichkeit

präzediert

• )cos(1),( tAtWL


BtAtPt

NtNL

µ

)cos()(1)exp()(0


= 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.

)(tP

Bµ

L

BtAtPt

NtNL

µ

)cos()(1)exp()(0


Messauswertung

direkt das lokale Magnetfeld Bµ am Myonenort

T

MHz

mit

BµµL

5,1352

22


FermidipLdemextµ BBBBBB


Lokales Bµ am Myonenort

• In ferromagnetischen Metallen:

• Bfermi = Fermi-Kontaktfeld:

durch WW zw. s-Elektronen und magnetischem Kernmoment

FermidipLdemextµ BBBBBB


• 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

FermidipLµ BBBB

SättigungL MB

03

1

j j

jjjjjdip r

rrrB

5

2

03

4


Schwierigkeiten beim Auswerten

• µ beeinflusst seine (magnetische) Umgebung

• genauer Aufenthaltsort µ im Gitter nicht bekannt

Gitterführungsexperimente nötig


Experimentelle Konfigurationen von µSR

• Myonen Spin Resonanz (µSR)

• Null-Feld-Myonen-Spin-Relaxation (ZF- µSR)

• Transversal-Feld-Myonen-Spin-Rotation (TF- µSR)


Myonen Spin Resonanz (µSR)

• Mischung aus NMR und ESR

• Statisches Bext parallel zur Myonenspinpolarisation wird an Probe angelegt

Kernspinaufspaltung mit boltzmannverteilten Besetzungen


• Resonanzfrequenz-Magnetfeld HF anlegen

• Wenn Resonanzfeld Präzessionsfreqeunz erreicht hat

Resonanzabsorption HF-Feld wird geschwächt Peak erkennbar


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


Bild ZF-µSR


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


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

0B

BK


Bild TF-µSR


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


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


Bild time-window


• 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)


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

http://cmms.triumf.ca/

http://www.psi.ch/

ΜSR - Myonenspinrotation am 18.01.2005 von Julia Repper.

Documents

Transcript of ΜSR - Myonenspinrotation am 18.01.2005 von Julia Repper.