Spins beeinflussen die Kristallstruktur von festem Sauerstoff unter extremen Magnetfeldern, wie eine Studie herausgefunden hat.

8. November 2025 Funktion

von Ingrid Fadelli, Phys.org

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Das Platzieren von Materialien unter extrem starken magnetischen Feldern kann zu ungewöhnlichen und faszinierenden physikalischen Phänomenen oder Verhaltensweisen führen. Studien zeigen konkret, dass unter magnetischen Feldern über 100 Tesla (T) sich Spins (d.h. intrinsische magnetische Ausrichtungen von Elektronen) und Atome zu neuen Anordnungen entwickeln, neue Phasen der Materie fördern oder ein Kristallgitter dehnen können.

Einer der physikalischen Effekte, der unter diesen extremen Bedingungen auftreten kann, wird als Magnetostriktion bezeichnet. Dieser Effekt bewirkt im Wesentlichen, dass die kristalline Struktur eines Materials sich ausdehnt, schrumpft oder verformt.

Wenn experimentell magnetische Felder über 100 T erzeugt werden, können sie nur für eine sehr kurze Zeit aufrechterhalten werden, normalerweise nur für einige Mikrosekunden. Dies liegt daran, dass ihre Erzeugung große Belastungen auf die Drähte, die für die Felder verwendet werden (d.h. Spulen), ausübt und diese fast sofort brechen lässt.

Forscher an der University of Electro-Communications in Tokio, bei RIKEN und in anderen Instituten in Japan entwickelten kürzlich neue Ausrüstung, um kurzzeitig extrem starke magnetische Felder um 110 T zu erzeugen und dann die Positionen der Atome in Materialien unter diesen Feldern festzuhalten.

In einem in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten sie über neue Erkenntnisse, die bei der Anwendung dieser Methoden zur Untersuchung von festem Sauerstoff gewonnen wurden.

'Das Hauptziel der Studie ist, die extreme Welt extrem starker magnetischer Felder von 100–1.000 T zu erforschen', sagte Akihiko Ikeda, Erstautor des Artikels, gegenüber Phys.org. 'In der Studie führten wir erstmals ein Röntgenexperiment über 100 T durch, was in Bezug auf die Erforschung der Grenze bedeutend ist.'

Um ihre Experimente durchzuführen, verwendeten Ikeda und seine Kollegen einen tragbaren Magnetfeldgenerator, den sie entwickelt hatten und der PINK-02 genannt wird. Mit diesem Generator konnten sie für einige Mikrosekunden ein extrem hohes magnetisches Feld von etwa 110 T erzeugen.

Die Forscher verwendeten anschließend Lasertechnologie, um ultra-schnelle XFEL-Röntgenpulse auf feste Sauerstoffkristalle abzufeuern, die diesem extrem starken Magnetfeld ausgesetzt waren. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, Momentaufnahmen zu machen, die die Positionen der festen Sauerstoffatome während des magnetischen Impulses zeigten.

'Die Neuheit unseres Artikels ist der neu konzipierte tragbare Generator mit 100 T namens PINK-02, der für die Studie unerlässlich ist', erklärt Ikeda. 'Dieser Generator wurde mit dem Röntgenfreielektronenlaser kombiniert, was nur aufgrund der Tragbarkeit von PINK-02 möglich war.'

Schließlich analysierte das Team die Momentaufnahmen und verglich die Positionen der Atome vor und während sich fester Sauerstoff im 110T-Magnetfeld befand. Dies ergab interessante Ergebnisse, die zeigten, dass der Kristall eine gigantische Magnetostriktion aufwies und um etwa 1% gedehnt wurde.

Die Forscher verbanden die beobachtete Magnetostriktion mit konkurrierenden Spin-Wechselwirkungen und Gitterkräften unter starken Magnetfeldern. Daher legt ihre Arbeit nahe, dass Spins unter Magnetfeldern über 100T die Kristallstruktur fester Materialien beeinflussen, insbesondere von festem Sauerstoff.

In Zukunft könnten der von ihnen entwickelte Magnetfeldgenerator und der verwendete Röntgenlaser verwendet werden, um andere Materialien unter denselben extremen Bedingungen zu untersuchen.

'Unsere Ergebnisse zeigen, dass Spins die Stabilität der Kristallstruktur eines Materials beeinflussen können, im Falle unserer Studie die von festem Sauerstoff', fügt Ikeda hinzu.

'Wir werden nun versuchen, die Kristallstruktur von festem Sauerstoff namens θ-Phase zu enthüllen, indem wir die verfügbaren Magnetfelder auf 120 bis 130 T erhöhen und die Kristallstrukturänderung in verschiedenen Materialien über 100 T hinweg aufdecken werden.'

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Mehr Informationen: Akihiko Ikeda et al, Röntgenfreielektronenlaser-Beobachtung von gigantischer und anisotroper Magnetostriktion in β-O2 bei 110 Tesla, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r7br-qnrn.

Journal information: Physical Review Letters

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