Dreidimensionale (3D) Antiferromagnete sind Materialien, in denen die magnetischen Momente von Atomen oder Ionen in einer 3D-Gitterstruktur angeordnet sind, wobei benachbarte Spins in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Physiker haben in diesen Materialien einen faszinierenden, magnetfeldinduzierten Phasenübergang beobachtet, der als Magnon-Bose-Einstein-Kondensation (BEC) beschrieben wird.
Während dieser Übergang in 2D-Systemen nicht stattfinden kann, können Quasi-2D-Systeme dennoch ein gewisses BEC-Verhalten aufweisen, zusammen mit überwiegend 2D-physikalischen Prozessen. Einige Studien haben dieses Verhalten in einigen Quasi-2D-Materialien festgestellt, allerdings nur bei sehr hohen Magnetfeldern, die in Laborumgebungen schwer zugänglich sind.
Forscher am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, der Universität Stuttgart und der Universität Tokio beobachteten kürzlich ein faszinierendes 2D-Grenzwert-BEC-Verhalten im Quasi-2D-Antiferromagneten YbCl3 bei einem relativ schwachen Magnetfeld.
Ihr Papier, veröffentlicht In Naturphysikberichtet insbesondere über die Beobachtung eines quantenkritischen Bose-Gases aus Magnonen in diesem Material.
„Ursprünglich suchten wir nach neuen Kandidaten für Kitaev-Quantenspinflüssigkeitsmaterialien“, sagte Yosuke Matsumoto, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Das Material, das wir hier untersuchen, YbCl3, ist ein Pseudospin-1/2-Quantenmagnet auf einem Wabengitter, für den theoretisch eine mögliche Realisierung einer Kitaev-Quantenspinflüssigkeit vorgeschlagen wurde. Davon inspiriert haben wir unsere Forschung begonnen.“
Bald nachdem sie die Möglichkeit untersucht hatten, dass YbCl3 eine Kitaev-Quantenspinflüssigkeit sein könnte, stellten die Forscher fest, dass dies nicht der Fall war. Tatsächlich beobachteten sie, dass das Material eine magnetische Ordnung bei Nullmagnetfeldwas sie dann zu der Identifizierung als ein Heisenberg-Magnet statt eines Kitaev-Magneten.
„Wir haben uns jedoch auf die Tatsache konzentriert, dass diese magnetische Ordnung bei einem Sättigungsfeld von etwa 6 T unterdrückt wird und einen quantenkritischen Punkt bildet“, sagte Matsumoto. „Wir haben entdeckt, dass dieser quantenkritische Punkt ein seltenes Beispiel für einen BEC-quantenkritischen Punkt im zweidimensionalen Grenzfall darstellt.“
Im Rahmen ihrer neuesten Studie analysierten Matsumoto und seine Kollegen reine YbCl3-Einzelkristalle. Sie führten eine Reihe hochpräziser Messungen durch, um die spezifische Wärmekapazität, Magnetisierung und Wärmeleitfähigkeit dieser Kristalle bei sehr niedrigen Temperaturen (bis zu einigen zehn Millikelvin) zu bestimmen.
„Wir haben festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme und der Magnetisierung in der Nähe des Sättigungsfelds von etwa 6 T perfekt mit den theoretischen Vorhersagen für einen BEC-Quantenkritischen Punkt im zweidimensionalen Grenzfall übereinstimmt“, erklärte Matsumoto.
„Auf diese Weise haben wir durch die Charakterisierung dieses quantenkritischen Punkts gezeigt, dass die Magnetfelder unterhalb und oberhalb dieses quantenkritischen Punkts einem Zustand entsprechen, in dem endliche Hardcore-Bosonen einen BEC (magnetisch geordneter Zustand) durchlaufen, bzw. einem Vakuumzustand ohne Bosonen (vollständig polarisierter Zustand).“
Die Forscher beobachteten die Bildung eines quantenkritischen 2D-Bose-Gases in ihrer YbCl3-Probe, das offenbar durch BEC ging. Ihre Studie bietet die erste experimentelle Demonstration quantenkritischer Prozesse mit 2D-Hardcore-Bosonen und demonstriert ihr Verhalten als verdünntes Gas.
„Wir haben außerdem erfolgreich gezeigt, dass sich die effektive Boson-Boson-Abstoßung im verdünnten Grenzfall aufgrund der in 2D-Systemen inhärenten logarithmischen Korrektur deutlich verringert“, sagte Matsumoto.
„Aus theoretischer Sicht sind diese Verhaltensweisen seit vielen Jahren bekannt. Der Mangel an geeigneten Materialien hat uns jedoch bisher daran gehindert, solch grundlegende Eigenschaften von Bosonen in 2D nachzuweisen.“
Die von Matsumoto und seinen Mitarbeitern gesammelten Erkenntnisse bestätigen, dass YbCl3, von dem zuvor angenommen wurde, es handele sich um eine Kitaev-Quantenspinflüssigkeit, stattdessen eine vielversprechende Plattform zur Realisierung von quantenkritischem BEC im 2D-Grenzwert darstellt. In der Zukunft könnte diese Erkenntnis den Weg für neue Studien ebnen, die sich auf dieses Material und seine zugrundeliegende Physik konzentrieren.
„In einem echten zweidimensionalen System ist kein BEC zu erwarten; stattdessen wird ein BKT-Übergang erwartet, der durch die Dissoziation von Wirbelpaaren gekennzeichnet ist“, fügte Matsumoto hinzu. „Unsere Studie ergab, dass die magnetische Ordnung knapp unterhalb des Sättigungsfelds als ein durch extrem geringe Zwischenschichtkopplung stabilisierter BEC betrachtet werden kann, aber eine Situation, die einem BKT-Übergang sehr nahe kommt, ist immer noch möglich.“
„Die Erforschung solcher Möglichkeiten, insbesondere die Suche nach Anzeichen von Wirbelanregungen und anderen neuen Zuständen, die für zwei Dimensionen charakteristisch sind, wird ein wichtiges Ziel unserer künftigen Arbeiten sein.“
Mehr Informationen:
Yosuke Matsumoto et al, Ein quantenkritisches Bose-Gas von Magnonen im quasi-zweidimensionalen Antiferromagneten YbCl3 unter Magnetfeldern, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02498-w
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