Lanthanoide – Magnetische Messungen an Gadolinium und Dysprosium

Aus magnetischer Sicht sind die Lanthanoide vielseitig und spannend, zudem sind einige dieser Elemente aktuell unverzichtbar für die Herstellung von Permanentmagneten mit besonderen Eigenschaften.
In diesem Artikel wollen wir uns mit den Elementen Gadolinium (Gd) und Dysprosium (Dy) beschäftigen.
In unserem Applikationslabor haben wir beide Metalle im SQUID-Magnetometer MPMS3, sowie im PPMS-DynaCool mit der VSM-Option gemessen. Beide Elemente zeigen einen starken Übergang. Dieser liegt bei Gd bei ca. 293 K, also in etwa bei Raumtemperatur. Bei Dy hingegen liegt der Übergang bei ca. 87 K. In beiden Fällen wird die Probe unterhalb des Übergangs ferromagnetisch, die entsprechende Übergangstemperatur wird Curie-Temperatur genannt (nach Pierre Curie, dem französischen Physiker und Nobelpreisträger).

Bei einem genaueren Blick auf die Kurven fällt einem ein „Hügelchen“ auf bei den Messungen an Dysprosium. Hierbei handelt es sich um einen weiteren Übergang von paramagnetisch zu antiferromagnetisch (AFM). Dieser liegt bei etwa 180 K, der Néel-Temperatur (benannt nach dem französischem Physiker Louis Néel, ebenfalls Nobelpreisträger). In einem AFM-Zustand orientieren sich die Spins so, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Deshalb wird bei einer Temperaturabnahme das Moment auch wieder kleiner (die niedrigere Temperatur begünstigt die kompensierende Ordnung). Dies ist gut zu erkennen, wird aber durch „aufkommenden“ Ferromagnetismus wieder übertrumpft. Aus Neutronenstreuexperimenten ist bekannt, dass sich die Spins beim Dysprosium im AFM-Zustand in einer Helix-Anordnung orientieren und dadurch kompensieren. Bei den Nachbarn von Dysprosium im Periodensystem (Tb, Ho, Er, Tm) findet man ein ganz ähnliches Verhalten (Vorhandensein von AFM, TNéel > TCurie). Doch wie ist es beim Gadolinium, gibt es auch hier Antiferromagnetismus? Dies ist in der Tat so, allerdings existiert der AFM-Zustand nur bei sehr kleinen Magnetfeldern. Mit den 200 Oe, bei denen die Messung durchgeführt wurde, hat sich der AFM-Zustand nicht ausgebildet.
Ich hoffe, Sie fanden diese kurze Abhandlung interessant. Wir bleiben an diesem Thema dran und planen eine Fortsetzung im Spectrum. Über Ihre Anregung, Anmerkung oder Fragen würde ich mich freuen.

Wichtige Fakten:

Lanthanoide oder auch Elemente der Lanthanreihe werden manchmal gleichgesetzt mit den Seltenen Erden, was nicht ganz richtig ist. Als Lanthanoide werden die 14 Elemente von Lanthan (OZ = 57) bis zum Lutetium (OZ = 71) bezeichnet. Bei den Metallen der Seltene Erde kommen noch die beiden Nebengruppenelemente Scandium (Sc) und Yttrium (Y) hinzu, bei denen keine magnetischen Ordnungszustände bekannt sind.

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