Langbeinite zeigen Talent als 3D-Quantenspinflüssigkeiten

In der Umgebung eines Mitglieds der Langbeinit-Familie wurde eine 3D-Quantenspinflüssigkeit entdeckt. Die spezielle Kristallstruktur des Materials und die daraus resultierenden magnetischen Wechselwirkungen führen zu einem ungewöhnlichen Verhalten, das auf eine Flüssigkeitsinsel zurückgeführt werden kann. Ein internationales Team hat diese Entdeckung mit Experimenten an der Neutronenquelle ISIS und theoretischen Modellierungen an einer Nickel-Langbeinit-Probe gemacht.

Wenn sich die Spins in einem Kristallgitter nicht so ausrichten können, dass sie gemeinsam eine Mindestenergie erreichen, nennt man das magnetische Frustration. Wird diese Frustration groß genug, fluktuieren die Spins weiterhin ungeordnet, selbst wenn die Temperatur gegen Null geht und sich das Material wie eine Quantenspinflüssigkeit verhält.

Quantenspinflüssigkeiten (QSLs) weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf, darunter topologisch geschützte Phänomene, die möglicherweise beispielsweise für zukünftige, besonders stabile Qubits nützlich sind. Ursprünglich wurden Quantenspinflüssigkeiten hauptsächlich in zweidimensionalen Strukturen untersucht, aber das Phänomen kann auch in 3D-Strukturen auftreten, wenn auch viel seltener.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.

Die Suche nach Frustration

Eine internationale Kollaboration hat dieses Verhalten nun in einer neuen Klasse von Materialien mit 3D-Struktur nachgewiesen: Langbeinite sind in der Natur seltene Sulfatmineralien; ersetzt man ein oder zwei Elemente in der Summenformel, entstehen Varianten, die alle zu dieser Materialklasse gehören.

Für die Studie wurden künstliche Langbeinit-Kristalle mit der Summenformel K2Ni2(SO4)3 hergestellt. Dem magnetischen Element Nickel kommt dabei eine Schlüsselrolle zu: Die Nickel-Ionen bilden zwei sogenannte Trilliumgitter, die miteinander verschränkt sind.

Dadurch entsteht die gewünschte magnetische Frustration, die durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds noch verstärkt wird: Die magnetischen Momente der Nickel-Ionen können sich dann nicht alle energetisch günstig ausrichten, sondern fluktuieren und bilden eine Quantenspinflüssigkeit.

Neutronendaten und Theorie: Eine nahezu perfekte Übereinstimmung

Dem Team um Ivica Živkovič an der EPFL gelang es, die magnetischen Fluktuationen an der britischen Neutronenquelle ISIS in Oxford zu messen. Die Proben verhalten sich wie eine Quantenspinflüssigkeit, und zwar nicht nur bei extrem tiefen Temperaturen, sondern sogar bei «lauwarmen» 2 Kelvin.

Das Team um HZB-Theoretiker Johannes Reuther konnte die Messdaten mithilfe mehrerer theoretischer Methoden erklären. „Unser theoretisches Phasendiagramm identifiziert sogar eine ‚Insel der Flüssigkeit‘ im Zentrum eines stark frustrierten Tetratrillium-Gitters“, sagt Matias Gonzalez, Erstautor der Studie und Postdoktorand in Reuthers Team, der die Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt hat.

Doktorand Vincent Noculak berechnete die Wechselwirkungen zwischen den Spins mit einer Methode auf Basis von Feynman-Diagrammen, die Reuther vor einigen Jahren entwickelt hatte (pseudo-fermion function renormization group, PFFRG). Die Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den theoretischen Ergebnissen ist überraschend gut. „Trotz seiner extrem komplexen Wechselwirkungen können wir dieses System sehr gut reproduzieren“, sagt Reuther.

QSL-Kandidaten in den Langbeiniten

Langbeinite sind eine große und noch weitgehend unerforschte Materialklasse. Die Studie zeigt, dass sich hier die Suche nach Quantenverhalten lohnen kann. Das Team um HZB-Physikerin Bella Lake hat bereits neue Vertreter dieser Materialklasse synthetisiert, die man auch als 3D-Quantenspinflüssigkeiten betrachten könnte.

„Noch ist das reine Grundlagenforschung“, betont Johannes Reuther, „aber mit dem wachsenden Interesse an neuartigen Quantenmaterialien könnten die Langbeinit-Materialien für Anwendungen in der Quanteninformation interessant werden.“