Gadolinium

Gadolinium mit der Ordnungszahl 64 steht am Anfang der schweren Seltenen Erden, besitzt wie diese eine hcp (hexagonal closed packed) Kristallstruktur, nimmt jedoch innerhalb dieser Reihe eine ausgezeichnete Stellung ein:

• Zum einen besitzt Gadolinium aufgrund der halbgefüllten 4f-Schale (4f:) eine vollständig kugelsymmetrische Ladungsverteilung und weist infolgedessen kein Bahnmoment (L=0) und keine starke (Ein-Ion-) Anisotropie auf, wie sie für die übrigen RE- Elemente charakteristisch ist.
  Trotzdem besitzt Gd ein großes, effektives (reines Spin-) Moment mit .
• Zum anderen ist Gadolinium das einzige, elementare RE-Element, das einen direkten Phasenübergang vom para- in den ferromagnetischen Zustand aufweist mit der darüberhinaus höchsten Ordnungstemperatur K.

Die Magnetisierungskurve (Abb. ) ist charakteristisch für die eines zumeist isotropen Ferromagneten und zeigt gute Übereinstimmung mit der theoretischen Brillouin-Kurve für J = 7/2. Für das Sättigungsmoment ergaben sich Werte von [Nig 63], [Moo 72] entlang der c-Achse und [Roe 75], [Whi 75] in der Basisebene. Der Überschuß über den theoretischen Wert reiner -Spin-Momente wird auf die Polarisation der Leitungselektronen zurückgeführt.

Der experimentell bestimmte Wert des effektiven, paramagnetischen Moments [Nig 63] liegt in guter Übereinstimmung mit dem theoretischen Wert . Die Bestimmung der paramagnetischen Curie-Temperatur lieferte für beide Orientierungen K [Nig 63], und bestätigte somit das für einen S-Zustand erwartete, isotrope Verhalten.

  
Figure: Temperaturabhängigkeit der spontanen Magnetisierung (entlang der b-Achse) und reziproken Suszeptibilität (entlang der a- und c-Achse) [Nig 63].
Die durchgezogene Kurve stellt die Brillouin-Kurve für S=7/2 dar. Abweichungen vom paramagnetischen Curie- Weiss-Verhalten nahe werden auf kurzreichweitige Ordnung in diesem Bereich zurückgeführt.

Abweichung von dem dargestellten, idealen Verhalten zeigen sich sowohl im ferro- als auch im paramagnetischen Bereich:
Die zwar geringe Anisotropie führt zu einer temperaturabhängigen Drehung der Richtung leichtester Magnetisierung (Spin Turning). Näheres hierzu im nächsten Kapitel.
Kurzreichweitige Ordnungsphänomene nahe der paramagnetischen Curie-Temperatur haben eine Abweichung vom idealen Curie-Weiss-Verhalten [Nig 63] in diesem Bereich zur Folge. Drehmomentmessungen [Cor 62], [Gra 62], [Dar 65] in diesem Bereich zeigten darüberhinaus eine starke Änderung der Anisotropieenergie mit dem von außen angelegten Feld. Dies deutet auf eine wachsende, magnetische Sättigung schon für kleine, äußere Felder hin. Näheres hierzu in Kapitel .

 
• Messungen magnetischer Eigenschaften von Gadolinium unter Druck