Helimagnetismus

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Lorentz-TEM-Bild von helischen Spinspreifen in Eisengermanid (FeGe) bei 90 K

Helimagnetismus ist eine Form der magnetischen Ordnung in Materialien, in der die Spins benachbarter magnetischer Momente sich in einem Spiral- oder helikalen Muster anordnen, wobei der Drehwinkel zwischen zwei Momenten zwischen 0° und 180° liegt.[1] Er resultiert aus der Konkurrenz zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Austauschwechselwirkungen.[1] Ferro- und Antiferromagnetismus können als helimagnetische Strukturen mit den Verdrehungswinkeln 0° und 180° gesehen werden.[2] Helimagnetische Strukturen brechen die räumliche Inversionssymmetrie, da sie entweder rechts- oder linkshändig sind.[3]

Beschreibung

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Streng genommen besitzen Helimagnete kein permanentes magnetisches Moment und werden deshalb auch als (komplizierte) Antiferromagnete klassifiziert. Dies grenzt sie ab von den konischen/zykloidalen Magneten (wie zum Beispiel Holmium unter 20 K[4]), welche neben der spiralen Modulation auch ein permanentes magnetisches Moment aufweisen.[5] Helimagnete können darüber charakterisiert werden, wie lange ihre Spirale für eine komplette Umdrehung braucht. Wenn die Periode der Spirale ein rationales Vielfaches der Elementarzelle des Kristalls ist, ist die Struktur eine kommensurable Überstruktur.[5] Dies ist der Fall bei der ursprünglich für Mangandioxid (MnO2) vorgeschlagenen Struktur.[6] Ist die Kommensurabilität nicht vorhanden und die Periodizitäten von Kristall und Magnetismus irrationale Vielfache voneinander, so ist der Magnetismus inkommensurabel[5], was den neueren Erkenntnissen für die MnO2-Struktur entspricht.[7]

Helimagnetismus wurde zuerst 1959 als Erklärung für die magnetische Struktur von Mangandioxid vorgeschlagen.[8] Ursprünglich wurde die Struktur mit Neutronenstreuung gemessen, kann inzwischen aber auch direkter mithilfe von Lorentzmikroskopie (einer Form der Transmissionselektronenmikroskopie) beobachtet werden.[9] Es wird berichtet, dass einige helimagnetische Strukturen auch noch bei Raumtemperatur stabil sein könnten.[10] Genauso wie Ferromagneten Domänenwände haben, treten in Helimagneten eine eigene Klasse von Domänenwänden auf, die durch topologische Ladungen charakterisiert sind.[11]

Viele Helimagnete besitzen eine chirale kubische Struktur, so wie der Strukturtyp FeSi (B20).[12][13] In diesen Materialien führt die Kombination aus ferromagnetischer Austauschwechselwirkung und antisymmetrischem Austausch (Dzialoshinskii-Moriya)[13] zu Helices mit relativ langer Periode.[12] Weil die Kristallstruktur sogar im paramagnetischen Zustand nicht inversionssymmetrisch[13] ist, bricht der magnetische Phasenübergang auch nicht die Inversionssymmetrie und die Händigkeit der Spirale ist in der Kristallstruktur geschützt.

Alternative Ursachen für Helimagnetismus in anderen Materialien sind magnetische Frustration oder die RKKY-Wechselwirkung.[1] Dies resultiert darin, dass punktsymmetrische Strukturen wie Verbindungen des Strukturtyps MnP (B31) Doppelhelixstrukturen aufweisen können, bei denen sowohl rechts- als auch linkshändige Spiralen koexistieren.[14] In diesen itineranten Helimagneten kann die Richtung der Helizität durch angewandte elektrische Ströme und Magnetfelder gesteuert werden.[15]

Einige helimagnetische Materialien
Material Temperaturbereich Raumgruppe
β-MnO2[16][17] < 93 K Raumgruppe P42/mnm (Raumgruppen-Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136
FeGe,[18] < 278 K Raumgruppe P213 (Raumgruppen-Nr. 198)Vorlage:Raumgruppe/198
MnGe[19] < 170 K Raumgruppe P213 (Raumgruppen-Nr. 198)Vorlage:Raumgruppe/198
MnSi,[20] < 29 K Raumgruppe P213 (Raumgruppen-Nr. 198)Vorlage:Raumgruppe/198
FexCo1−xSi (0,3 ≤ x ≤ 0,85)[21][22] Raumgruppe P213 (Raumgruppen-Nr. 198)Vorlage:Raumgruppe/198
Cu2OSeO3[23] < 58 K Raumgruppe P213 (Raumgruppen-Nr. 198)Vorlage:Raumgruppe/198
FeP[14] < 120 K Raumgruppe Pnma (Raumgruppen-Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62
FeAs[24] < 77 K Raumgruppe Pnma (Raumgruppen-Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62
MnP[25] < 50 K Raumgruppe Pnma (Raumgruppen-Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62
CrAs[26] < 261 K Raumgruppe Pnma (Raumgruppen-Nr. 62)Vorlage:Raumgruppe/62
CrI2[27] < 17 K Raumgruppe Cmc21 (Raumgruppen-Nr. 36)Vorlage:Raumgruppe/36
FeCl3[28] < 9 K Raumgruppe R3 (Raumgruppen-Nr. 148)Vorlage:Raumgruppe/148
NiBr2[29] < 22 K Raumgruppe R3m (Raumgruppen-Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166
NiI2[30] < 75 K Raumgruppe R3m (Raumgruppen-Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166
Cr1/3NbS2[31][32] < 127 K Raumgruppe P6322 (Raumgruppen-Nr. 182)Vorlage:Raumgruppe/182
Tb[33] 219–231 K Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194
Dy[34] 85–179 K Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194
Ho[35] 20–132 K Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c Stephen Blundell: Magnetism in condensed matter (= Oxford master series in condensed matter physics). Oxford University Press, Oxford New York 2001, ISBN 0-585-48360-4, S. 99 f. (englisch).
  2. ↑ Ralph Skomski: Magnetic Exchange Interactions. In: Handbook of Magnetism and Magnetic Materials. Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-03063101-7, Exchange and Spin Structure: Magnetic Order and Noncollinearity, S. 87, doi:10.1007/978-3-030-63101-7_2-1 (springer.com [abgerufen am 1. Januar 2025]).
  3. ↑ Jun-ichiro Kishine, A. S. Ovchinnikov: Theory of Monoaxial Chiral Helimagnet. In: Solid State Physics. Band 66. Academic Press, 1. Januar 2015, 1. Introduction, S. 2–6, doi:10.1016/bs.ssp.2015.05.001 (elsevier.com [abgerufen am 1. Januar 2025]).
  4. ↑ Christopher S. Perreault, Yogesh K. Vohra, Antonio M. dos Santos, Jamie J. Molaison: Neutron diffraction study of magnetic ordering in high pressure phases of rare earth metal holmium. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Band 507, August 2020, S. 166843, doi:10.1016/j.jmmm.2020.166843.
  5. ↑ a b c J. M. D. Coey: Magnetism and magnetic materials. 1. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2010, ISBN 978-0-521-81614-4, 6.3.3 Helimagnets, S. 207 f. (worldcat.org [abgerufen am 1. Januar 2025]).
  6. ↑ Akio Yoshimori: A New Type of Antiferromagnetic Structure in the Rutile Type Crystal. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 14, Nr. 6, 15. Juni 1959, S. 807–821, doi:10.1143/JPSJ.14.807 (englisch).
  7. ↑ M. Regulski: Incommensurate magnetic structure of β−MnO2. In: Physical Review B. Band 68, Nr. 17, 2003, doi:10.1103/PhysRevB.68.172401 (englisch).
  8. ↑ Akio Yoshimori: A New Type of Antiferromagnetic Structure in the Rutile Type Crystal. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 14, Nr. 6, 15. Juni 1959, S. 807–821, doi:10.1143/JPSJ.14.807 (englisch).
  9. ↑ Masaya Uchida, Yoshinori Onose, Yoshio Matsui, Yoshinori Tokura: Real-Space Observation of Helical Spin Order. In: Science. Band 311, Nr. 5759, 20. Januar 2006, S. 359–361, doi:10.1126/science.1120639.
  10. ↑ S. L. Zhang, I. Stasinopoulos, T. Lancaster, F. Xiao, A. Bauer, F. Rucker, A. A. Baker, A. I. Figueroa, Z. Salman, F. L. Pratt, S. J. Blundell, T. Prokscha, A. Suter, J. Waizner, M. Garst, D. Grundler, G. van der Laan, C. Pfleiderer, T. Hesjedal: Room-temperature helimagnetism in FeGe thin films. In: Scientific Reports. Band 7, Nr. 1, 9. März 2017, S. 123, doi:10.1038/s41598-017-00201-z, PMID 28273923 (englisch).
  11. ↑ P. Schoenherr, J. Müller, L. Köhler, A. Rosch, N. Kanazawa, Y. Tokura, M. Garst, D. Meier: Topological domain walls in helimagnets. In: Nature Physics. Band 14, Nr. 5, Mai 2018, S. 465–468, doi:10.1038/s41567-018-0056-5 (englisch).
  12. ↑ a b Karin Everschor: Rotating skyrmion lattices by spin torques and field or temperature gradients. In: Physical Review B. Band 86, Nr. 5, 2012, doi:10.1103/PhysRevB.86.054432 (aps.org [abgerufen am 1. Januar 2025]).
  13. ↑ a b c Jian Kang: Transport theory of metallic B20 helimagnets. In: Physical Review B. Band 91, Nr. 13, 2015, doi:10.1103/PhysRevB.91.134401 (aps.org [abgerufen am 1. Januar 2025]).
  14. ↑ a b A. S. Sukhanov, Y. V. Tymoshenko, A. A. Kulbakov, A. S. Cameron, V. Kocsis, H. C. Walker, A. Ivanov, J. T. Park, V. Pomjakushin, S. E. Nikitin, I. V. Morozov, I. O. Chernyavskii, S. Aswartham, A. U. B. Wolter, A. Yaresko, B. Büchner, D. S. Inosov: Frustration model and spin excitations in the helimagnet FeP. In: Physical Review B. Band 105, Nr. 13, 20. April 2022, doi:10.1103/PhysRevB.105.134424.
  15. ↑ N. Jiang, Y. Nii, H. Arisawa, E. Saitoh, Y. Onose: Electric current control of spin helicity in an itinerant helimagnet. In: Nature Communications. Band 11, Nr. 1, 30. März 2020, S. 1601, doi:10.1038/s41467-020-15380-z, PMID 32231211, PMC 7105454 (freier Volltext) – (englisch).
  16. ↑ Akio Yoshimori: A New Type of Antiferromagnetic Structure in the Rutile Type Crystal. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 14, Nr. 6, 15. Juni 1959, S. 807–821, doi:10.1143/JPSJ.14.807.
  17. ↑ M. Regulski, R. Przeniosło, I. Sosnowska, J.-U. Hoffmann: Incommensurate magnetic structure of β − MnO 2. In: Physical Review B. Band 68, Nr. 17, 3. November 2003, doi:10.1103/PhysRevB.68.172401.
  18. ↑ S. L. Zhang, I. Stasinopoulos, T. Lancaster, F. Xiao, A. Bauer, F. Rucker, A. A. Baker, A. I. Figueroa, Z. Salman, F. L. Pratt, S. J. Blundell, T. Prokscha, A. Suter, J. Waizner, M. Garst, D. Grundler, G. van der Laan, C. Pfleiderer, T. Hesjedal: Room-temperature helimagnetism in FeGe thin films. In: Scientific Reports. Band 7, Nr. 1, 9. März 2017, doi:10.1038/s41598-017-00201-z, PMID 28273923, PMC 5427977 (freier Volltext).
  19. ↑ N. Martin, I. Mirebeau, C. Franz, G. Chaboussant, L. N. Fomicheva, A. V. Tsvyashchenko: Partial ordering and phase elasticity in the MnGe short-period helimagnet. In: Physical Review B. Band 99, Nr. 10, 13. März 2019, doi:10.1103/PhysRevB.99.100402.
  20. ↑ Sergei M Stishov, A E Petrova: Itinerant helimagnet MnSi. In: Physics-Uspekhi. Band 54, Nr. 11, 30. November 2011, S. 1117–1130, doi:10.3367/UFNe.0181.201111b.1157.
  21. ↑ Hideki Watanabe, ichi Tazuke, Haruo Nakajima: Helical Spin Resonance and Magntization Measurement in Itinerant Helimagnet Fe x Co 1- x Si(0.3≤ x ≤0.85). In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 54, Nr. 10, 15. Oktober 1985, S. 3978–3986, doi:10.1143/JPSJ.54.3978.
  22. ↑ L. J. Bannenberg, K. Kakurai, P. Falus, E. Lelièvre-Berna, R. Dalgliesh, C. D. Dewhurst, F. Qian, Y. Onose, Y. Endoh, Y. Tokura, C. Pappas: Universality of the helimagnetic transition in cubic chiral magnets: Small angle neutron scattering and neutron spin echo spectroscopy studies of FeCoSi. In: Physical Review B. Band 95, Nr. 14, 28. April 2017, doi:10.1103/PhysRevB.95.144433.
  23. ↑ S. Seki, X. Z. Yu, S. Ishiwata, Y. Tokura: Observation of Skyrmions in a Multiferroic Material. In: Science. Band 336, Nr. 6078, 13. April 2012, S. 198–201, doi:10.1126/science.1214143.
  24. ↑ Kari Selte, Arne Kjekshus, Arne F. Andresen, M. J. Tricker, Sigfrid Svensson: Magnetic Structure and Properties of FeAs. In: Acta Chemica Scandinavica. Band 26, 1972, S. 3101–3113, doi:10.3891/acta.chem.scand.26-3101.
  25. ↑ J B Forsyth, S J Pickart, P J Brown: The structure of the metamagnetic phase of MnP. In: Proceedings of the Physical Society. Band 88, Nr. 2, Juni 1966, S. 333–339, doi:10.1088/0370-1328/88/2/308.
  26. ↑ Kari Selte, Arne Kjekshus, Warren E. Jamison, Arne F. Andresen, Jan E. Engebretsen, L. Ehrenberg: Magnetic Structure and Properties of CrAs. In: Acta Chemica Scandinavica. Band 25, 1971, S. 1703–1714, doi:10.3891/acta.chem.scand.25-1703.
  27. ↑ John A. Schneeloch, Shunshun Liu, Prasanna V. Balachandran, Qiang Zhang, Despina Louca: Helimagnetism in the candidate ferroelectric CrI 2. In: Physical Review B. Band 109, Nr. 14, 3. April 2024, doi:10.1103/PhysRevB.109.144403.
  28. ↑ Byeongki Kang, Changsoo Kim, Euna Jo, Sangil Kwon, Soonchil Lee: Magnetic state of FeCl 3 investigated by NMR. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Band 360, Juni 2014, S. 1–5, doi:10.1016/j.jmmm.2014.01.051.
  29. ↑ A Adam, D Billerey, C Terrier, K Katsumata, J Magariño, J Tuchendler: Magnetic resonance experiments in NiBr2 at high frequencies and high magnetic fields. In: Physics Letters A. Band 79, Nr. 4, Oktober 1980, S. 353–354, doi:10.1016/0375-9601(80)90369-2.
  30. ↑ S.R. Kuindersma, J.P. Sanchez, C. Haas: Magnetic and structural investigations on NiI2 and CoI2. In: Physica B+C. Band 111, Nr. 2-3, November 1981, S. 231–248, doi:10.1016/0378-4363(81)90100-5.
  31. ↑ D. Braam, C. Gomez, S. Tezok, E. V. L. de Mello, L. Li, D. Mandrus, Hae-Young Kee, J. E. Sonier: Magnetic properties of the helimagnet Cr 1 / 3 NbS 2 observed by μ SR. In: Physical Review B. Band 91, Nr. 14, 7. April 2015, doi:10.1103/PhysRevB.91.144407.
  32. ↑ Tomonao Miyadai, Katsuya Kikuchi, Hiromitsu Kondo, Shuzo Sakka, Masatoshi Arai, Yoshikazu Ishikawa: Magnetic Properties of Cr 1/3 NbS 2. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 52, Nr. 4, 15. April 1983, S. 1394–1401, doi:10.1143/JPSJ.52.1394.
  33. ↑ S. B. Palmer, J. Baruchel, S. Farrant, D. Jones, M. Schlenker: Observation of Spiral Spin Antiferromagnetic Domains in Single Crystal Terbium. In: The Rare Earths in Modern Science and Technology. Springer US, Boston, MA 1982, ISBN 1-4613-3408-X, S. 413–417, doi:10.1007/978-1-4613-3406-4_88.
  34. ↑ R. Herz, H. Kronmüller: Field-induced phase transitions in the helical state of dysprosium. In: Physica Status Solidi (a). Band 47, Nr. 2, 16. Juni 1978, S. 451–458, doi:10.1002/pssa.2210470215.
  35. ↑ D. A. Tindall, M. O. Steinitz, M. Kahrizi, D. R. Noakes, N. Ali: Investigation of the helimagnetic phases of holmium in a c -axis magnetic field. In: Journal of Applied Physics. Band 69, Nr. 8, 15. April 1991, S. 5691–5693, doi:10.1063/1.347913.

Helimagnetism (Q3144647)

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