Mott-Isolatoren sind eine besondere Materialklasse mit Strukturen, die theoretisch Strom leiten sollten, aber stattdessen Isolatoren sind. Diese Materialien enthalten stark korrelierte Elektronen, die stark verschränkte Vielteilchenzustände erzeugen können, die durch unkonventionelle Anregungen gekennzeichnet sind.
Während viele Physiker davon ausgegangen sind, dass die unkonventionellen Anregungen eines Mott-Isolators nur bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden können, hat ein Forschungsteam der Yonsei University, der Rutgers University, des KAIST und anderer Institute in Südkorea kürzlich Signaturen dieser unkonventionellen Ladungsträger bei Raumtemperatur entdeckt. Diese unkonventionellen Ladungsträger, beschrieben in a Papier In Naturphysikwurden im Mott-Isolator Terbiumindiumoxid (TbInO3) beobachtet, der eine dreieckige Gitterstruktur aufweist.
„In magnetischen Materialien beginnen die Spins der Elektronen mit sinkender Temperatur zu interagieren, was schließlich zu geordneten Zuständen führt“, sagten Prof. Jae Hoon Kim und Prof. Eun-Gook Moon, zwei der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys .org. „Zum Beispiel sind im ferromagnetischen Grundzustand alle Spins parallel zueinander, während sie im antiferromagnetischen Grundzustand antiparallel sind. In einer Quantenspinflüssigkeit bleiben die Spins jedoch aufgrund makroskopischer Quanten auch bei extrem niedrigen Temperaturen ungeordnet.“ Verstrickung zwischen ihnen.
Eine Quantenspinflüssigkeit ist eine einzigartige Phase der Materie, die erstmals 1973 vom Nobelpreisträger Philip W. Anderson theoretisiert wurde und im Wesentlichen einen flüssigkeitsähnlichen Mott-Isolator ohne magnetische Ordnungen beschreibt. Da sie als Mott-Isolatoren eingestuft wurden, gingen viele Physiker davon aus, dass Quantenspinflüssigkeiten nicht mit externen elektromagnetischen Feldern interagieren und daher ihre unkonventionellen Anregungen durch optische Messungen bei Raumtemperatur nicht nachgewiesen werden könnten.
„Anfang der 2010er Jahre schlug ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Patrick Lee am MIT vor, dass eine Klasse von Quantenspinflüssigkeiten externe elektromagnetische Felder indirekt „sehen“ könnte, und sagte weiter voraus, dass die optische Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen proportional zum Quadrat der Frequenz sein würde Frequenzen“, erklärten Prof. Kim und Moon. „Trotz zahlreicher Bemühungen in den letzten 10 Jahren wurden keine Kandidatenmaterialien für Quantenspinflüssigkeiten gefunden, die diese Signatureigenschaft aufweisen.“
Im Rahmen ihrer aktuellen Studie wollten Kim, Moon und ihre Kollegen die seit langem bestehende Annahme in Frage stellen, dass exotische Anregungen nur in Mott-Isolatoren bei niedrigen Temperaturen existieren. Um dies zu erreichen, züchtete ein Teil ihrer Zusammenarbeit hochwertige Einkristalle des Mott-Isolators TbInO3 im Labor von Prof. Sang-Wook Cheong an der Rutgers University unter Verwendung einer Technik, die als Laser-Floating-Zone-Wachstum bekannt ist.
Das Team entschied sich speziell für TbInO3, weil frühere Studien von Prof. Cheong und seinen Kollegen mithilfe von Neutronenstreutechniken einzigartige Signaturen in diesem Material erfasst hatten, die darauf hindeuteten, dass es ein Quantenspinflüssigkeitsverhalten aufwies. Nachdem die Forscher ihre TbInO3-Proben bei Rutgers gezüchtet hatten, wurden diese Proben an der Yonsei-Universität in Südkorea mithilfe von Terahertz-Zeitbereichsspektroskopietechniken analysiert.
Bei diesen Experimenten beobachteten Prof. Kim und sein Team an der Yonsei-Universität, dass die Wechselstrom-Terahertz-Leitfähigkeit im Material selbst bei Raumtemperatur genau proportional zum Quadrat der Lichtfrequenz ist. Schließlich entwickelte Professor Eun-Gook Moon am KAIST eine Reihe theoretischer Interpretationen, die diese überraschenden experimentellen Beobachtungen erklären könnten.
„Das bemerkenswerteste Ergebnis unserer Arbeit ist die Entdeckung unkonventioneller Ladungsträger, die aus einer makroskopischen Anzahl von Quantenspins bestehen“, sagten Prof. Kim und Moon. „Im Gegensatz zur allgemeinen Annahme, dass bei niedriger Energie in einem Isolator keine Ladungsträger existieren, beweisen wir die Existenz von Ladungsträgern, indem wir die optische Leitfähigkeit messen, die proportional zum Quadrat der Lichtfrequenz ist. Noch überraschender ist, dass die Ladungsträger sogar.“ überleben und sind bis zur Raumtemperatur kohärent.“
Prof. Kim, Prof. Moon, Prof. Cheong und ihre Mitarbeiter zeigten experimentell, dass unkonventionelle Ladungsträger auch bei Raumtemperatur in Mott-Isolatoren gefunden werden konnten. Ihre Arbeit könnte bald den Weg für weitere Experimente und theoretische Physikstudien ebnen, die mehr Licht auf die ihren Beobachtungen zugrunde liegenden Physik werfen könnten.
„Ein plausibles Szenario ist, dass die Ladungsträger aus einer von Prof. Lee vorgeschlagenen Klasse von Quantenspinflüssigkeiten stammen“, sagten die Forscher.
Prof. Kim schlägt vor, dass Quantenspinflüssigkeiten makroskopisch stark verschränkte Zustände besitzen und dass diese Zustände von Natur aus in ihnen eingebettet sind. Sein Kollege So He geht davon aus, dass die Erforschung der tiefgreifenden physikalischen Prinzipien, die den Quantenspin-Flüssigkeitszuständen zugrunde liegen, letztendlich zur Realisierung fehlertoleranter Quantencomputer beitragen könnte, die sogar bei Raumtemperatur funktionieren.
„Insgesamt planen wir, unsere Forschung auf andere Indiumoxidverbindungen auszudehnen und nach ähnlichen Effekten zu suchen“, fügten die Forscher hinzu.
Mehr Informationen:
Taek Sun Jung et al., Unkonventionelle Raumtemperaturträger im Dreiecksgitter-Mott-Isolator TbInO3, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02174-5.
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