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µSR - Myonenspinrotation

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

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µSR - Myonenspinrotation

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  1. µSR - Myonenspinrotation am 18.01.2005 von 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 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 µSR, Julia Repper

  7. Myonen und ihre Entstehung • Entstehungsreaktion: => Pionen notwendig • Pionen aus hochenergetischen Proton-Proton-Stößen (z. B. beschleunigtes Proton auf Beryllium-Target) µSR, Julia Repper

  8. Bild 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 = (+)- ½ • Myonenspin = (+)- ½ µSR, Julia Repper

  10. Schema Pionenzerfall µ+ υµ π+ S= -1/2 S= -1/2 S=0 µSR, Julia Repper

  11. Paritätsverletzung Bild µSR, Julia Repper

  12. Myonen und ihre Erzeugung I • Oberflächen-Myonen π 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 µSR, Julia Repper

  14. Myonen und ihre Erzeugung II • Schnelle Myonen Pionenzerfall 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 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 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 präzediert • auch die Emissionswahrscheinlichkeit präzediert µSR, Julia Repper

  21. µSR, Julia Repper

  22. 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. µSR, Julia Repper

  24. Messauswertung • direkt das lokale Magnetfeld Bµ am Myonenort µSR, Julia Repper

  25. µSR, Julia Repper

  26. Lokales Bµ amMyonenort • In ferromagnetischen Metallen: • Bfermi = Fermi-Kontaktfeld: durch WW zw. s-Elektronen und magnetischem Kernmoment 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 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 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 µSR, Julia Repper

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