Bei den Methoden der Myonen-Spin-Rotation, -Relaxation und -Resonanz (µSR) werden Myonen in die zu untersuchende Probe implantiert und daraufhin die zeitliche Entwicklung der Myonen-Spinpolarisation beobachtet. Sie gibt Aufschluss über die Wechselwirkung der Myonen (µ = 3.18 µp) mit magnetischen Momenten des Wirtsgitters. Dabei befindet sich die Myonen auf Zwischengitterplätzen oder atomaren Fehlstellen.
Zur Erzeugung von Myonen werden Protonenbeschleuniger benötigt. Aus diesem Grund können µSR-Messungen nur an Großforschungseinrichtungen durchgeführt werden.
Das Myon ist ein leptonisches Elementarteilchen mit einer Lebensdauer von 2.194 µs. Es zerfällt entsprechend seiner Ladung in ein Positron (Elektron) und die entsprechenden Neutrinos. Der Zerfall ist stark anisotrop; das Positron (Elektron) wird vorwiegend in Richtung des Myonenspins emittiert.
Diese besondere Zerfallseigenschaft ermöglicht es, Informationen über die Wechselwirkung des Myons mit seiner Umgebung zwischen dem Zeitpunkt der Implantation und dem Zerfall zu erhalten. Wir setzen vorwiegend die zeitdifferentielle µSR ein, bei der nahezu vollständig polarisierte positive Myonen in die Probe implantiert werden. Dabei wird die Zeit zwischen der Implantation und der Detektion des Zerfallspositrons, sowie die Emissionsrichtung des Positrons in Bezug auf die Richtung des einkommenden Myons bestimmt. Für eine Messung wird dies in der Regel für mehrere Millionen Myonen durchgeführt, so dass man ein Zerfallsspektrum für eine gegebene Beobachtungsrichtung bekommt. Aus der Asymmetrie zweier Detektoren bekommt man die gewünschte Information über die zeitliche Entwicklung der Spinpolarisation des gesamten Myonenensembles. Je nach experimentellem Aufbau gibt sie Informationen über die statische Verteilung magnetischer Momente innerhalb der Probe, bzw. deren Dynamik.
Aufgrund seiner Masse von 1/9 mp und seiner Ladung hat das Myon den Charakter eines leichten Protons. Das hohe magnetische Moment von 3.18 µp und ein fehlendes Quadrupolmoment sorgen für die extreme Empfindlichkeit der Methode auf kleinste magnetische Momente und deren Fluktuationen.
Die Auflösung der verwendeten "Uhren" und die Lebensdauer des Myons bestimmen das charakteristische Zeitfenster, in der die Methoden der µSR sensitiv sind. Es reicht etwa von 10-4 bis 10-12 s und liegt damit zwischen Methoden wie der AC-Suszeptibilität und der Neutronenstreuung.
In der Arbeitsgruppe werden mit Hilfe der µSR u.a. Fragestellungen der elektronischen und magnetischen Struktur und Dynamik in Hochtemperatursupraleitern und strukturverwandten Materialien, sowie niederdimensionalen Spinstrukturen und Heavy-Fermion-Systemen untersucht.
Wegen der produktionsbedingten hohen Implantationsenergie von 4 - 70 MeV eignen sich die Methoden der konventionellen µSR lediglich für die Untersuchung von Proben mit einer Dicke von mindestens einigen zehntel Millimetern. Im Rahmen einer BMBF-Verbundförderung und einer Kooperation mit dem Paul-Scherrer-Institut sowie der Universität Konstanz ist die Gruppe maßgeblich an der Entwicklung der Methode der Niederenergie-Myonen-Spektroskopie (LE-µSR) beteiligt. Dabei wird die Implantationsenergie der Myonen unter Beibehaltung der vollen Polarisation auf einige keV herabgesetzt, womit die Untersuchung von Dünnschichtsystemen möglich wird.