| PSI: | Paul Scherrer Institut, vormals SIN, Villigen, Schweiz |
| RAL: | Rutherford Appleton Laboratory, ISIS facility, Chilton, England |
Das Myon µ kann in vielfältiger Weise als nukleare Sonde in Festkörpern eingesetzt werden. Dabei kann das positive Myon µ+ als ,,leichtes Wasserstoffisotop`` und das negative Myon µ- als schweres Elektron betrachtet werden. Die Meßmethoden können wir unterteilen in µSR (wobei das Akronym ,,µSR`` Für Muon - Spin - Rotation, - Relaxation, oder - Resonanz steht), bei der das magnetische Moment des µ von entscheidender Bedeutung ist, und Gitterführungsexperimente, bei denen das magnetische Moment des µ keine Rolle spielt.
1. µSR
Bei allen µSR-Methoden wird ein polarisierter Myonenstrahl verwendet. Das Meßprinzip beruht auf dem paritätsverletzenden, anisotropen Zerfall des µ in ein Positron bzw. ein Elektron und zwei Neutrinos. Die Zerfallspositronen/-elektronen werden dabei bevorzugt in Richtung des magnetischen Moments des µ emittiert. Dies gestattet mittels kernphysikalischer Methoden die Messung der Spin- Präzessionsfrequenz sowie der transversalen bzw. longitudinalen Spin- Relaxation.
µ+ als Sonde. Wegen seiner positiven Ladung und seiner hohen Beweglichkeit wird das µ+ von Fehlstellen (Leerstellen, Zwischengitteratome und deren Agglomerate, Fremdatome) eingefangen, selbst wenn diese in nur äußerst geringen Konzentrationen vorliegen. Die lokalen Magnetfelder an ungestörten Zwischengitterplätzen und Fehlstellen sind in der Regel verschieden. Somit können z.B. fehlstellenspezifische, quantitative Untersuchungen von strahlungsinduzierten Fehlstellen und deren Ausheilverhalten angestellt werden. In magnetisch geordneten Kristallen können mit Hilfe der µ+-Spinpräzession und der µ+-Spinresonanz die lokalen Magnetfelder am Ort des µ+ (Zwischengitterplätze oder Fehlstellen) untersucht werden. Eine Anwendung ist das Studium kritischer Spinfluktuationen in der Nähe von magnetischen Phasenübergängen.
Mit Hilfe von Hochdruck-µ+SR-Messungen können wertvolle Hinweise im Hinblick auf die Platzbesetzung durch das Myon bzw. dessen Diffusion im Zwischengitter gewonnen werden. Durch das Anlegen eines hydrostatischen Drucks haben wir die Möglichkeit, die interatomaren Abstände direkt zu beeinflussen, und sind somit in der Lage, beim Studium temperatur- und volumenabhängiger Größen (wie z.B. dem Fermi-Kontaktfeld in magnetisch geordneten Materialien) den Einfluß des Gitterparameters auf eine physikalische Größe getrennt vom Einfluß der Temperatur zu untersuchen.
µ+ als leichtes Proton. Das Verhalten leichter, positiv geladener Teilchen in Metallen und Halbleitern ist seit vielen Jahren Gegenstand intensiver experimenteller und theoretischer Untersuchungen. Mit seiner Masse von nur 1/9 der Protonenmasse ist das µ+ besonders interessant im Hinblick auf Quanteneffekte bei der Diffusion. Die Bewegung des µ+ in einem Kristallgitter mit räumlich fluktuierenden lokalen Magnetfeldern (z.B. in Materialien mit großem kernmagnetischen Dipolmoment, Ferro- und Antiferromagnetika, Supraleiter II. Art) führt -- ganz analog zur Kernspinresonanz -- zu einer Mittelung über die Lokalfelder (Bewegungsmittelung, motional averaging) und damit zu einer Abnahme der µ+-Spinrelaxation mit zunehmender Myonenbeweglichkeit. Für Untersuchungen der µ+-Diffusion eignet sich insbesondere die longitudinale Spinrelaxation, da diese wenig empfindlich auf den Einfang der µ+ in Haftstellen reagiert.
In Halbleitern mit Zinkblendestruktur sind neben den diamagnetischen Zuständen des positiven Myons (z.B. ,,nacktes`` Myon µ+) zwei gebundene, dem Wasserstoffatom ähnliche Zustände (normales und anomales Myonium) bekannt. Die Untersuchung der Stabilität dieser Zustände in Abhängigkeit von der Konzentration freier Ladungsträger (erzeugt durch Dotierung oder Lichteinstrahlung) erfolgt mit der Methode der Hochfrequenz-µ+-Spin-Resonanz und des ,,Longitudinal Field-Quenching``, zweier sich aufgrund ihrer Empfindlichkeit in unterschiedlichen Zeitfenstern bei der Untersuchung dynamischer Prozesse ergänzenden Methoden. Eine Kombination beider Methoden, die Messung der µ+-Resonanzamplitude bei unterschiedlichen µ+-Resonanzfrequenzen, liefert weitere Hinweise auf die Art der beteiligten dynamischen Prozesse. Die Lage der Energieniveaus der verschiedenen Myonzustände in der Bandlücke wird durch selektive Lichteinstrahlung bei den entsprechenden Wellenlängen untersucht.
Das Verhalten negativer Myonen µ- wird wesentlich von der anziehenden Coulomb-Wechselwirkung zwischen negativen Myonen und den positiven Atomkernen beeinflußt. Nach dem Abbremsen des Myons im Festkörper wird dieses von einem Atomkern in einen gebundenen Zustand eingefangen, dessen räumliche Ausdehnung jedoch entsprechend dem Elektron-Myon-Massenverhältnis von 1:207 kleiner ist. Die Elektronenhülle der dabei gebildeten myonischen Atome reorganisiert sich nun entsprechend der um eins abgeschirmten Kernladung wie ein Fremdatom mit der Kernladung (Z-1)e. Im Halbleiter stellt dies gerade einen Akzeptor dar, wobei die zeitliche Entwicklung des Ionisationszustandes der Elektronenhülle dieser Quasidotierung direkt nach der Implantation untersucht werden. Bei der Untersuchung von mehrkomponentigen Materialien kann mit Hilfe der beim Einfang des Myons abgestrahlten charakteristischen Röntgenstrahlung eine elementspezifische Zuordnung des eingefangenen Myons erfolgen. Somit kann durch koinzidente Gamma-Messung bei der Implantation des Myons die beteiligte Atomsorte bei der Bildung des myonischen Atoms bestimmt werden.
2 2. Gitterführung positiver Myonen
Die Pion/Myon-Gitterführung stellt eine universell anwendbare Methode zur Untersuchung kristalliner Festkörper dar. Das außerhalb des Kristalls gemessene Gitterführungsprofil der Zerfallsmyonen liefert ein Bild der Strahlungsquelle, also der implantierten Pionen. Die am PSI verwendete experimentelle Anordnung ermöglicht es, die Position des Pions im Kristallgitter mit einer Auflösung von etwa 0,1 Å zu bestimmen. Entsprechende Experimente sind auch möglich mit Myonen als Sondenteilchen und hochenergetischen Positronen als geführten Signalteilchen (Myon/Positron-Gitterführung). Die einzige grundsätzliche experimentelle Randbedingung, nämlich ein ausreichend perfekter und großer Einkristall als Probe, läßt sich in vielen Metallen, Halbleitern und Isolatoren erfüllen.
Bei anderen kernphysikalischen Methoden wie z.B. der Gamma-Gamma-Winkelkorrelation, dem Mößbauereffekt und der µSR wird das Meßsignal während der Verweilzeit der Sonde in der Probe aufgebaut. Im Gegensatz dazu liefert die Gitterführung eine Momentaufnahme; für das Signal ist nur die Position des Sondenteilchens zum Zeitpunkt der Zerfalls entscheidend. Die eigentliche Zerfallszeit ist so kurz, daß sie sich im Festkörper nicht auswirkt. Durch Ausnutzen der gepulsten Zeitstruktur des Pionenstrahles kann die Verweilzeit der Pionen im Kristall als Parameter eingeführt werden. (Der 17 MHz Betriebsmodus des PSI ermöglicht ein Beobachtungsintervall von 6x10-8s.) Die Thermalisierung, die Kinetik des Einfangs sowie der Übergang zwischen stabilen und metastabilen Zwischengitterplätzen können damit direkt untersucht werden.