Neuer Quanteneffekt stellt den seit langem bestehenden Kondo-Effekt in Frage

Experimentalphysiker des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat haben erstmals einen neuen Quanteneffekt mit dem treffenden Namen „Spinaron“ nachgewiesen. In einer sorgfältig kontrollierten Umgebung und mit einem fortschrittlichen Instrumentensatz gelang es ihnen, den ungewöhnlichen Zustand nachzuweisen, den ein Kobaltatom auf einer Kupferoberfläche annimmt.

Diese Entdeckung stellt den seit langem bestehenden Kondo-Effekt in Frage – ein theoretisches Konzept, das in den 1960er Jahren entwickelt wurde und seit den 1980er Jahren als Standardmodell für die Wechselwirkung magnetischer Materialien mit Metallen gilt. Diese bahnbrechenden Erkenntnisse waren veröffentlicht heute in Naturphysik.

Ultrakalt und ultrastark: Im Labor Grenzen überschreiten

Im Würzburger Labor der Experimentalphysiker Professor Matthias Bode und Dr. Artem Odobesko herrschen extreme Bedingungen. Angegliedert an den Exzellenzcluster ct.qmat, einer Kooperation der JMU Würzburg und der TU Dresden, setzen diese Visionäre neue Meilensteine ​​in der Quantenforschung.

Ihr neuestes Unterfangen ist die Entdeckung des Spinaron-Effekts. Sie platzierten einzelne Kobaltatome strategisch auf einer Kupferoberfläche, senkten die Temperatur auf 1,4 Kelvin (–271,75° Celsius) und setzten sie dann einem starken externen Magnetfeld aus. „Der Magnet, den wir verwenden, kostet eine halbe Million Euro. Das ist nicht überall erhältlich“, sagt Bode. Ihre anschließende Analyse brachte unerwartete Erkenntnisse.

„Mit einem Rastertunnelmikroskop können wir die einzelnen Kobaltatome erkennen. Jedes Atom hat einen Spin, den man sich als magnetischen Nord- oder Südpol vorstellen kann. Seine Messung war entscheidend für unsere überraschenden Entdeckungen“, erklärt Bode. „Wir haben ein magnetisches Kobaltatom auf eine nichtmagnetische Kupferbasis aufgedampft, wodurch das Atom mit den Elektronen des Kupfers interagiert.“ Die Erforschung solcher Korrelationseffekte innerhalb von Quantenmaterialien steht im Mittelpunkt der Mission von ct.qmat – ein Unterfangen, das in der Zukunft transformative technische Innovationen verspricht.

Seit den 1960er Jahren gehen Festkörperphysiker davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen Kobalt und Kupfer durch den Kondo-Effekt erklärt werden kann, wobei sich die unterschiedlichen magnetischen Orientierungen der Elektronen von Kobaltatom und Kupfer gegenseitig aufheben. Dies führt zu einem Zustand, in dem die Kupferelektronen an das Kobaltatom gebunden sind und eine sogenannte „Kondo-Wolke“ bilden.

Allerdings tauchten Bode und sein Team noch tiefer in ihr Labor ein. Und sie validierten eine alternative Theorie, die 2020 vom Theoretiker Samir Lounis vom Forschungszentrum Jülich vorgeschlagen wurde.

Mithilfe der Kraft eines starken äußeren Magnetfelds und einer Eisenspitze im Rastertunnelmikroskop gelang es den Würzburger Physikern, die magnetische Orientierung des Kobaltspins zu bestimmen. Dieser Spin ist nicht starr, sondern wechselt permanent hin und her, also von „Spin-Up“ (positiv) nach „Spin-Down“ (negativ) und umgekehrt. Durch dieses Umschalten werden die Kupferelektronen angeregt, ein Phänomen, das Spinaron-Effekt genannt wird.

Bode verdeutlicht es mit einer anschaulichen Analogie: „Aufgrund der ständigen Änderung der Spinausrichtung kann der Zustand des Kobaltatoms mit einem Rugbyball verglichen werden. Wenn sich ein Rugbyball in einem Bällebad kontinuierlich dreht, werden die umliegenden Bälle in eine andere Richtung verschoben wellenartig. Genau das haben wir beobachtet: Die Kupferelektronen begannen als Reaktion zu schwingen und verbanden sich mit dem Kobaltatom.

„Diese Kombination aus der wechselnden Magnetisierung des Kobaltatoms und den daran gebundenen Kupferelektronen ist das von unserem Jülicher Kollegen vorhergesagte Spinaron.“

Die erste experimentelle Validierung des Spinaron-Effekts durch das Würzburger Team lässt Zweifel am Kondo-Effekt aufkommen. Bisher galt es als universelles Modell zur Erklärung der Wechselwirkung zwischen magnetischen Atomen und Elektronen in Quantenmaterialien wie dem Kobalt-Kupfer-Duo. Bode witzelt: „Es ist Zeit, in diese Physiklehrbücher ein bedeutendes Sternchen einzutragen.“

Spinaron und Spintronik

Beim Spinaron-Effekt bleibt das Kobaltatom in ständiger Bewegung und behält trotz seiner Wechselwirkung mit den Elektronen seine magnetische Essenz. Beim Kondo-Effekt hingegen wird das magnetische Moment durch seine Elektronenwechselwirkungen neutralisiert.

„Unsere Entdeckung ist wichtig für das Verständnis der Physik magnetischer Momente auf Metalloberflächen“, sagt Bode. Mit Blick auf die Zukunft könnten solche Phänomene den Weg für die Kodierung und den Transport magnetischer Informationen in neuartigen elektronischen Geräten ebnen. Dies wird als „Spintronik“ bezeichnet und könnte die IT umweltfreundlicher und energieeffizienter machen.

Allerdings dämpft Bode die Erwartungen, wenn er über die Praktikabilität dieser Kobalt-Kupfer-Kombination spricht. „Wir haben im Wesentlichen einzelne Atome bei extrem niedrigen Temperaturen auf einer unberührten Oberfläche im Ultrahochvakuum manipuliert. Das ist für Mobiltelefone unmöglich. Während der Korrelationseffekt einen Wendepunkt in der Grundlagenforschung zum Verständnis des Verhaltens von Materie darstellt, kann ich“ „Ich kann daraus keinen richtigen Schalter bauen.“

Derzeit konzentrieren sich der Würzburger Quantenphysiker Artem Odobesko und der Jülicher Theoretiker Samir Lounis auf eine groß angelegte Überprüfung der zahlreichen Veröffentlichungen, die den Kondo-Effekt in verschiedenen Materialkombinationen seit den 1960er Jahren beschrieben haben. „Wir vermuten, dass viele tatsächlich den Spinaron-Effekt beschreiben“, sagt Odobesko und fügt hinzu: „Wenn ja, werden wir die Geschichte der theoretischen Quantenphysik neu schreiben.“