Einleitung

Die SR (Myonen-Spin-Rotation und -Relaxation) ist eine Meßmethode der nuklearen Festkörperphysik und leistet neben Mößbauer-Spektroskopie, gestörter --Winkelkorrelation, ferromagnetischer Resonanz und Neutronenstreuung einen wichtigen Beitrag zur Erforschung mikroskopischer, magnetischer Eigenschaften von Festkörpern (Grundlagen der SR-Meßmethode werden in Kap.  kurz besprochen.).

Im Gegensatz zu Kernsonden besitzt das Myon keine polarisierbare Elektronenschale und mißt das lokale Magnetfeld direkt, zudem im Zwischengitterbereich und besitzt deshalb entscheidende Vorteile: Es ist sensitiv für das Dipolfeld der umgebenden, magnetischen Momente und hervorragend geeignet, selbst geringe Änderungen der räumlichen Spinanordnung, wie z.B. Spindrehungen (siehe ferromagnetischer Bereich von Gadolinium, Kap. ) aufzuzeichnen. Im Gegensatz zur elastischen Neutronenstreuung können kurzreichweitige, magnetische Ordnungen z.B. im Bereich des magnetischen Phasenübergangs registriert werden. Die hier auftretenden Spinfluktuationen können beobachtet werden, und zwar für Relaxationszeiten, die anderen Methoden nicht zugänglich sind. Darüberhinaus eröffnet die SR die Möglichkeit, Messungen im paramagnetischen Bereich ohne äußeres Magnetfeld durchzuführen (siehe paramagnetischer und kritischer Bereich von Gadolinium, Kap. ).

Das Studium magnetischer Eigenschaften unter Anwendung äußeren Drucks wurde jedoch bisher durch die speziellen Erfordernisse, die die SR hierbei stellt (große Probenvolumina, hydrostatische Druckverhältnisse), erschwert. Die in Kapitel beschriebene Hochdruckanlage wird diesen Anforderungen gerecht, und macht somit auch dieses experimentelle Gebiet der SR-Meßmethode zugänglich.

Nach den ersten Hochdruck-SR-Messungen an den ferromagnetischen 3d-Übergangsmetallen Fe, Co, Ni [But 87], wurden Experimente am Seltenen-Erd-Metall Gadolinium begonnen [Har 90b], [Mut 93a], [Mut 93b] und im Rahmen dieser Diplomarbeit fortgeführt.

Im Gegensatz zu den 3d-Übergangselementen können die Seltenen Erden aufgrund der inneren, von den 5s5p5d6s-Elektronen abgeschirmten 4f-Elektronen als Träger des magnetischen Moments, relativ gut durch das Modell des lokalisierten Magnetismus mit indirekter (RKKY-) Austauschwechselwirkung beschrieben werden. Aufgrund des großen Orbitalmoments der 4f-Elektronen sind sie darüberhinaus durch eine große, magnetische Anisotropie ausgezeichnet (Kap. ).

Gadolinium bildet mit einer halbgefüllten 4f-Elektronenschale den Übergang zwischen leichten und schweren Seltenen Erden. Wegen des kugelsymmetrischen S Grundzustandes besitzt es eine vergleichsweise geringe magnetische Anisotropie, die jedoch im ferromagnetischen Bereich eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist:

Direkt unterhalb der Ordnungstemperatur K ist die Richtung der spontanen Magnetisierung (ferromagnetic easy axis) parallel zur hexagonalen c-Achse orientiert. Bei K dreht sie sich rasch von der c-Achse weg, erreicht einen maximalen Drehwinkel für K, und dreht sich bei weiterer Temperatursenkung auf den Endwert von zurück, den sie bei K erreicht (Abb. ). Die Ursache dieses Verhaltens sollte im Wechselspiel von Austausch- und Anisotropieenergie liegen, konnte jedoch im Detail noch nicht geklärt werden.

Diese Spindrehung kann über das Zusammenwirken von isotropem Kontaktfeld und anisotropem Dipolfeld am Zwischengitterplatz des Myons verfolgt werden. Da sowohl Austausch- als auch Anisotropieenergie vom interatomaren Abstand abhängen und die SR-Meßmethode überaus sensitiv selbst für geringe Änderungen der Spinanordnung ist, könnte die Untersuchung der Spindrehung unter Anwendung äußeren, hydrostatischen Drucks einen Beitrag zur Aufklärung dieses Verhaltens liefern (Kap. ).

Im paramagnetischen Bereich von Gadolinium beobachtet man selbst weit entfernt vom magnetischen Phasenübergang kurzreichweitige, magnetische Ordnung (Spin-Cluster), deren thermische Fluktuationen bei Annäherung an die ferromagnetische Ordnungstemperatur zunehmend langsamer werden (Critical-Slowing-Down). Außerdem gewinnen dabei dipolare Wechselwirkungen an Gewicht und stören die anfängliche Isotropie der Austauschwechselwirkung (Dipolar-Cross-Over).
Beide Effekte konnten durch SR-Messungen sichtbar gemacht werden und sollten nun auf eventuelle Druckabhängigkeiten untersucht werden: Denkbar wäre einerseits die Verschiebung des Übergangs zwischen isotroper und dipolar bestimmter Wechselwirkung sowie andererseits eine Beeinflussung der Spinfluktuationsrate. In Kapitel werden hierzu einige Daten vorgestellt. Sie stellen die ersten SR-Messungen im paramagnetischen Bereich unter äußerem Druck dar und zeigen, daß derartige Untersuchungen möglich sind und die gewünschte Trennung der Effekte erlauben. Der Datensatz ist allerdings noch zu gering für weitreichende Aussagen.