15 Ultraschall - 2. Physikalisches Institut, RWTH Aachen

4.3 Dämpfung durch Elektronen 21
4.3 Dämpfung durch Elektronen
In elektrisch leitenden Kristallen befinden sich freie Elektronen, die nach Art eines Gases
(„Elektronengas“) im Kristallgitter verteilt sind. Sie liefern zwar kaum einen Beitrag zur spezifischen
Wärme des Kristalls, sind aber gleichwohl wesentlich an der Wärmeleitung beteiligt.
Führt nun das Kristallgitter unter der Einwirkung einer Schallwelle Schwingungen aus, so versucht
das Elektronengas diesem zu folgen, da die Gitterbausteine in einem leitenden Kristall ja
positiv geladen sind. Dadurch wird die Gleichgewichtsverteilung der Elektronengeschwindigkeiten
laufend gestört und zwar um so mehr, je höher die Schallfrequenz ist. Es handelt sich
hier also um einen Relaxationsprozess, der eine Dämpfung der Schallwelle bewirkt.
Dieser Effekt ist sehr eindrucksvoll an supraleitenden Kristallen demonstriert worden. Bei diesen
verschwindet die elektronische Komponente der Dämpfung nämlich unterhalb der Sprungtemperatur,
da die dann paarweise vorliegenden Elektronen (Cooper-Paare) nicht mit dem Gitter
im Wechselwirkung treten können. Nun lässt sich der supraleitende Zustand durch ein hinreichend
starkes Magnetfeld wieder beseitigen oder verhindern (Meißnereffekt). Dies hat zur
Folge, dass auch die durch Wechselwirkung des Kristallgitters mit den Elektronen verursachte
Schalldämpfung wieder auftritt.
Die Dämpfung durch Elektronen ist wiederum in unserem Versuch in der Untergrunddämpfung
vorhanden. Separation der einzelnen Beiträge in der Untergrunddämpfung ist nur möglich,
wenn man den Phononenbeitrag bei tiefen Temperaturen so weit wie möglich einfriert [15].
4.4 ΔE - Effekt
Setzt man ein ferromagnetisches und magnetostriktives Material einer Spannung σ aus, so erhält
man zusätzlich zur rein elastischen Dehnung εel eine magnetostriktive Dehnung ems, die
durch Verschiebung der Domänengrenzen und durch Verdrehen der Magnetisierungsrichtung
in den magnetischen Domänen erzeugt wird. Die daraus resultierende, magnetisierungsabhängige
Verkleinerung des E-Moduls wird als ΔE-Effekt bezeichnet.
In diesem Versuch soll der ΔE-Effekt gemessen werden. Die Schallgeschwindigkeit wird in
Abhängigkeit von der Temperatur einmal ohne Magnetfeld (v0(T)) und einmal mit Sättigungsmagnetfeld
vBs(T) aufgenommen. Aus der Differenz des Elastizitätsmoduls ohne Magnetfeld
E0 und mit Magnetfeld EBs kann die relative E-Modul-Änderung ΔE(T)/EBs(T) berechnet werden:
ΔE(T)
EBs(T) = EBs(T) − E0(T)
= 1 −(
EBs(T) v0(T)
vBs(T) )2 . (4.2)
Dieser ΔE-Effekt zeigt im Temperaturbereich von T ≈ 100K einen Knick. Auf welchen Effekt
dieser Knick hinweist soll von den Praktikanten bestimmt werden.