Ungewöhnlicher Quantenzustand der Materie zum ersten Mal beobachtet

Nicht alle Tage stößt man in der Quantenphysik, dem Wissenschaftsgebiet, das sich der Beschreibung des Verhaltens atomarer und subatomarer Teilchen widmet, auf einen neuen Materiezustand, um ihre Eigenschaften aufzuklären.

Doch genau das hat ein internationales Forscherteam getan, zu dem Andrea Bianchi, Physikprofessor an der Universität Montreal und Forscher am Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, und seine Studenten Avner Fitterman und Jérémi Dudemaine gehören.

In einem kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlichten Artikel Körperliche Überprüfung Xdokumentieren die Forscher einen „Quantenspinflüssigkeits-Grundzustand“ in einem magnetischen Material, das in Bianchis Labor hergestellt wurde: Ce2Zr2O7, eine Verbindung aus Cerium, Zirkonium und Sauerstoff.

Wie eine Flüssigkeit, die in einem extrem kalten Feststoff eingeschlossen ist

In der Quantenphysik ist Spin eine interne Eigenschaft von Elektronen, die mit ihrer Rotation verbunden ist. Es ist der Spin, der dem Material in einem Magneten seine magnetischen Eigenschaften verleiht.

In einigen Materialien führt der Spin zu einer desorganisierten Struktur ähnlich der von Molekülen in einer Flüssigkeit, daher der Ausdruck „Spinflüssigkeit“.

Im Allgemeinen wird ein Material unorganisierter, wenn seine Temperatur ansteigt. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Wasser zu Dampf wird. Das Hauptmerkmal von Spinflüssigkeiten ist jedoch, dass sie auch bei Abkühlung bis zum absoluten Nullpunkt (–273 °C) desorganisiert bleiben.

Spin-Flüssigkeiten bleiben unorganisiert, da die Richtung des Spins weiterhin schwankt, wenn das Material gekühlt wird, anstatt sich in einem festen Zustand zu stabilisieren, wie es bei einem herkömmlichen Magneten der Fall ist, bei dem alle Spins ausgerichtet sind.

Die Kunst, Elektronen zu „frustrieren“.

Stellen Sie sich ein Elektron als einen winzigen Kompass vor, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. Bei herkömmlichen Magneten sind die Elektronenspins alle in die gleiche Richtung ausgerichtet, nach oben oder unten, wodurch eine sogenannte „ferromagnetische Phase“ entsteht. So bleiben Fotos und Notizen an Ihrem Kühlschrank hängen.

Aber in Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind die Elektronen in einem Dreiecksgitter angeordnet und bilden eine „Ménage à trois“, die durch intensive Turbulenzen gekennzeichnet ist, die ihre Ordnung stören. Das Ergebnis ist eine verschränkte Wellenfunktion und keine magnetische Ordnung.

„Wenn ein drittes Elektron hinzugefügt wird, können sich die Elektronenspins nicht ausrichten, da die beiden benachbarten Elektronen immer entgegengesetzte Spins haben müssen, was zu einer sogenannten magnetischen Frustration führt“, erklärte Bianchi. „Das erzeugt Anregungen, die die Unordnung der Spins und damit den flüssigen Zustand auch bei sehr niedrigen Temperaturen aufrechterhalten.“

Wie haben sie also ein drittes Elektron hinzugefügt und eine solche Frustration verursacht?

Eine Ménage à trois schaffen

Betreten Sie den frustrierten Magneten Ce2Zr2O7, der von Bianchi in seinem Labor geschaffen wurde. Zu seiner bereits langen Liste von Errungenschaften bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien wie Supraleiter können wir nun „Meister der Kunst frustrierender Magnete“ hinzufügen.

Ce2Zr2O7 ist ein auf Cer basierendes Material mit magnetischen Eigenschaften. „Die Existenz dieser Verbindung war bekannt“, sagte Bianchi. „Unser Durchbruch bestand darin, es in einer einzigartig reinen Form zu schaffen. Wir haben Proben verwendet, die in einem optischen Ofen geschmolzen wurden, um eine nahezu perfekte dreieckige Anordnung von Atomen zu erzeugen, und dann den Quantenzustand überprüft.“

Es war dieses nahezu perfekte Dreieck, das es Bianchi und seinem Team bei UdeM ermöglichte, magnetische Frustration in Ce2Zr2O7 zu erzeugen. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten McMaster und Colorado State, des Los Alamos National Laboratory und des Max-Planck-Instituts für die Physik komplexer Systeme in Dresden, Deutschland, maßen sie die magnetische Diffusion der Verbindung.

„Unsere Messungen zeigten eine überlappende Teilchenfunktion – daher keine Bragg-Peaks – ein klares Zeichen für das Fehlen klassischer magnetischer Ordnung“, sagte Bianchi. „Wir haben auch eine Verteilung von Spins mit kontinuierlich schwankenden Richtungen beobachtet, die für Spinflüssigkeiten und magnetische Frustration charakteristisch ist. Dies deutet darauf hin, dass sich das von uns erzeugte Material bei niedrigen Temperaturen wie eine echte Spinflüssigkeit verhält.“

Vom Traum zur Realität

Nachdem diese Beobachtungen durch Computersimulationen bestätigt worden waren, kam das Team zu dem Schluss, dass sie tatsächlich Zeuge eines nie zuvor gesehenen Quantenzustands waren.

„Die Identifizierung eines neuen Quantenzustands der Materie ist ein wahr gewordener Traum für jeden Physiker“, sagte Bianchi. „Unser Material ist revolutionär, weil wir als erste zeigen, dass es tatsächlich als Spinflüssigkeit vorliegen kann. Diese Entdeckung könnte die Tür zu neuen Ansätzen beim Design von Quantencomputern öffnen.“

Frustrierte Magneten auf den Punkt gebracht

Magnetismus ist ein kollektives Phänomen, bei dem sich die Elektronen in einem Material alle in die gleiche Richtung drehen. Ein alltägliches Beispiel ist der Ferromagnet, der seine magnetischen Eigenschaften der Ausrichtung von Spins verdankt. Benachbarte Elektronen können sich auch in entgegengesetzte Richtungen drehen. In diesem Fall haben die Spins immer noch wohldefinierte Richtungen, aber es gibt keine Magnetisierung. Frustrierte Magnete sind frustriert, weil die benachbarten Elektronen versuchen, ihre Spins in entgegengesetzte Richtungen auszurichten, und wenn sie sich in einem Dreiecksgitter befinden, sich nicht mehr auf eine gemeinsame, stabile Anordnung einstellen können. Das Ergebnis: ein frustrierter Magnet.