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µSR - Myonenspinrotation. am 18.01.2005 von Julia Repper. 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 - PowerPoint PPT Presentation
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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
µSR, Julia Repper 3
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
µSR, Julia Repper 4
µSR, Julia Repper 5
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
µSR, Julia Repper 6
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
µSR, Julia Repper 7
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
µSR, Julia Repper 8
Bild
µ
ns
µ 26
µSR, Julia Repper 9
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
µSR, Julia Repper 10
µ+ υµ
π+
S=0S= -1/2 S= -1/2
Schema Pionenzerfall
µSR, Julia Repper 11
Paritätsverletzung Bild
µSR, Julia Repper 12
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
µSR, Julia Repper 13
• isotroper Pionenzerfall
•
• nur bei µ+ einsetzbar,
µ- werden sofort durch Atome weggefangen und kommen nicht mehr aus Target raus
MeVEµ
1,4
µSR, Julia Repper 14
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
µSR, Julia Repper 15
• Bei beiden Methoden:
Myonen über geeignetes Strahlleitersystem zur Probe führen (Magneten etc.)
• 2 Strahltypen– Kontinuierlicher Myonenstrahl – Gepulster Myonenstrahl
µSR, Julia Repper 16
µSR- Forschungseinrichtungen weltweit
µSR, Julia Repper 17
Wie funktioniert µSR?
• µ zerfällt nach 2,2 µs
•
• Zerfall ist anisotrop Positronenemission bevorzugt in
Spinrichtung des µ
µeeµ
µSR, Julia Repper 18
Messung der Positronenverteilung
Relativ hohe Energien leicht nachweisbar Messung der
bevorzugten Emissionsrichtung
Aufschluss über Spineinstellung µ
µSR, Julia Repper 19
Anisotropie e+
µSR, Julia Repper 20
Magnetfelduntersuchungen
• lokales Magnetfeld Bµ am Myonenort
der Myonenspin präzediertauch die Emissionswahrscheinlichkeit
präzediert
• )cos(1),( tAtWL
µSR, Julia Repper 21
µSR, Julia Repper 22
BtAtPt
NtNL
µ
)cos()(1)exp()(0
µSR, Julia Repper 23
= 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
µSR, Julia Repper 24
Messauswertung
direkt das lokale Magnetfeld Bµ am Myonenort
T
MHz
mit
BµµL
5,1352
22
µSR, Julia Repper 25
FermidipLdemextµ BBBBBB
µSR, Julia Repper 26
Lokales Bµ am Myonenort
• In ferromagnetischen Metallen:
• Bfermi = Fermi-Kontaktfeld:
durch WW zw. s-Elektronen und magnetischem Kernmoment
FermidipLdemextµ BBBBBB
µSR, Julia Repper 27
• 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
µSR, Julia Repper 28
Schwierigkeiten beim Auswerten
• µ beeinflusst seine (magnetische) Umgebung
• genauer Aufenthaltsort µ im Gitter nicht bekannt
Gitterführungsexperimente nötig
µSR, Julia Repper 29
Experimentelle Konfigurationen von µSR
• Myonen Spin Resonanz (µSR)
• Null-Feld-Myonen-Spin-Relaxation (ZF- µSR)
• Transversal-Feld-Myonen-Spin-Rotation (TF- µSR)
µSR, Julia Repper 30
Myonen Spin Resonanz (µSR)
• Mischung aus NMR und ESR
• Statisches Bext parallel zur Myonenspinpolarisation wird an Probe angelegt
Kernspinaufspaltung mit boltzmannverteilten Besetzungen
µSR, Julia Repper 31
• Resonanzfrequenz-Magnetfeld HF anlegen
• Wenn Resonanzfeld Präzessionsfreqeunz erreicht hat
Resonanzabsorption HF-Feld wird geschwächt Peak erkennbar
µSR, Julia Repper 32
µSR, Julia Repper 33
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
µSR, Julia Repper 34
Bild ZF-µSR
µSR, Julia Repper 35
µSR, Julia Repper 36
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
µSR, Julia Repper 37
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
µSR, Julia Repper 38
Bild TF-µSR
µSR, Julia Repper 39
µSR, Julia Repper 40
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
µSR, Julia Repper 41
µSR, Julia Repper 42
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
µSR, Julia Repper 43
Bild time-window
µSR, Julia Repper 44
• 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)
µSR, Julia Repper 45
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
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