Untersuchung von magnetischen Anregungen in CeCu2 mit inelastischer Neutronenstreuung

Inhalt der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Schwerfermionensubstanz CeCu2. Dafür wurden makroskopische Messungen der Magnetisierung, der Suszeptibilität sowie der spezifischen Wärme aus der Literatur miteinander verglichen und eigenen Neutronenstreuexperimenten gegenübergestellt. Ein Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung des neuen Dreiachsenspektrometers PANDA am FRM2 München. Für dieses wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um zukünftige Leistungsdaten zu spezifizieren. Mit dem Ray - Trace - Simulationspaket McStas wurde das Neutronenstreugerät modelliert und das Zusammenspiel der neutronenoptischen Bauelemente optimiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Messungen und Rechnungen zum magnetischen Phasendiagramm von CeCu2. Dazu wurden eigene Messungen der Magnetisierung (VSM) und elastische Neutronenstreuexperimente (D23, ILL Grenoble) einer McPhase - Rechnung gegenübergestellt. Der nächste Abschnitt der Arbeit befasst sich mit elastischen und inelastischen Neutronenstreuexperimenten (IN12 & IN20, ILL Grenoble) an CeCu2 Einkristallen. Diese Messungen untersuchen die statischen (Struktur, Phasendiagramm) sowie dynamischen Eigenschaften (Anregungen) in dieser Substanz. Insbesondere beschäftigen sich diese Messungen mit den Dispersionsrelationen der Magnonen in hohen magnetischen Feldern bis zu mu0H = 12 Tesla. Für diese Experimente wurde eine neue Probenbox für den Einsatz in Hochfeldmagneten entwickelt, welche die Probe fixiert und in einer Schutzgasatmosphäre einschließt. In den Messungen wurde eine unerwartete, dispersionslose Anregung gefunden, welche mit dem derzeitigen Spinwellenmodell unverträglich ist. Bei Erhöhung des Magnetfeldes steigt die Anregungsenergie doppelt so schnell, wie von gewöhnlichen Magnonen erwartet wird. Zur Erklärung wird ein neutroneninduzierter pi/2 - Spinflop - Prozess vorgeschlagen. In einer anderen Messung wurde mit polarisierten Neutronen nach dem bisher indirekt nachgewiesenen, ersten angeregten Kristallfeldniveau bei 9 Millielektronenvolt gesucht. Bei wachsenden Temperaturen konnte kaum magnetische Streuintensität unterhalb 10 Millielektronenvolt gefunden werden. Jedoch wurde eine stark verbreiterte Intensität von 8 bis 15 Millielektronenvolt gemessen. Diese Energie korreliert mit dem Übergang zwischen den angeregten Kristallfeldniveaus. Als Ursache für die Verbreiterung wird eine Kristallfeld - Phonon - Wechselwirkung angegeben. Aus dem Vergleich der in verschiedenen Richtungen gemessenen magnetischen Streuintensitäten des 23 Millielectronvolt Kristallfeldüberganges können dessen Übergangsmatrixelemente abgeschätzt werden. Diese wurden den errechneten Werten der veröffentlichten Kristallfeldparametersätze gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass die alten Parametersätze die neuen Messdaten nicht beschreiben können. Deshalb wurde ein neuer Satz aufgestellt, welcher erstmals sowohl die makroskopischen Messungen als auch die Neutronenstreuexperimente erklärt.In this thesis, the electronic and magnetic properties of the heavy-fermion system CeCu2 are investigated. For that purpose, measurements of susceptibility, magnetisation and specific heat from literature are compared with each other and are compared with neutron-scattering experiments performed for the present work. One part of the thesis is addressed to the design of the new triple-axis spectrometer PANDA, which is situated at the research reactor FRM2 in Munich. Extensive simulations were performed with the ray - tracing simulation package McStas in order to model this neutron scattering instrument and to optimise its neutron optic elements. The second part of this work deals with measurements and calculations of the magnetic phase diagram of CeCu2. The experiments include the macroscopic magnetisation (VSM) and elastic neutron-scattering measurements (D23, ILL Grenoble). The McPhase calculations are in a good agreement with the experiments. The next part presents elastic and inelastic neutron-scattering experiments (IN12 & IN20, ILL Grenoble) at CeCu2 single crystals. These measurements investigate the static (phase diagram) as well as dynamic properties (excitations) of this compound. Especially, the experiments are concentrated on the investigation of the dispersion relation of magnons in magnetic fields up to mu0H = 12 tesla. For these measurements, a new sample holder suitable for use in high magnetic fields was designed, which fixes the sample in a hermetically sealed containment. In the experiments an unexpected dispersionless excitation was observed, which does not fit the standard magnon model. With increasing magnetic field the energy of this excitation increases with a slope of twice the value expected for regular magnons. A neutron - induced pi/2 spin - flop process is proposed to explain this excitation. In another measurement with polarised neutrons the first excited crystal - field level at 9 millielectronvolt, which has not been directly detected up to now, was investigated. With increasing temperature, only small magnetic scattering intensity occurs below 10 millielectronvolt. >From 8 to 15 millielectronvolt a broad signal was detected, which corresponds to the energy of the transition between the two excited levels. Due to a strong crystal field - phonon interaction, the width is unusually broadened. The transition matrix elements can be estimated from the comparison of the components of the magnetic scattering intensities of the 23 millielectronvolt crystal - field transition. These values were compared with the calculated values from published crystal-field parameter sets. The old sets cannot explain the new measurements. A new set was derived which accounts for the macroscopic measurements and for the neutron - scattering data, too