Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elementarmagnete im Doppelpack

26.09.2013
MPQ/LMU-Wissenschaftlern gelingt die direkte Beobachtung eines elementaren Bindungszustands in ferromagnetischen Quantenkristallen

Ihrem Ziel, durch präzise Kontrolle von Quantensystemen die Eigenschaften von Festkörpern zu simulieren, ist die Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme am MPQ erneut einen entscheidenden Schritt näher gekommen – genauer gesagt, dem Verständnis von ferromagnetischen Festkörperkristallen, in denen elementare Anregungen des Grundzustandes, sogenannte Magnonen, entstehen können.


Abb.1: Anschauliche Darstellung der Ausbreitung der Magnonen (rot) in einer Kette von regulär ausgerichteten Atomen (blau). Links oben: freie Magnonen bewegen sich anti-korreliert. Rechts unten: die beiden Spins des gebundenen Zustandes bleiben immer benachbart.

Grafik: MPQ, Abt. Quanten-Vielteilchensysteme

Bereits vor rund 80 Jahren begründete der Physiker Hans Bethe theoretisch, dass es in eindimensionalen Ferromagneten zu gebundenen Zuständen aus zweien dieser elementaren magnetischen Anregungen kommen kann. Wie zwei winzige Stabmagnete können dabei zwei Atome aneinander haften bleiben und ein neues Teilchen bilden, das sich im Festkörper bewegt.

Den Physikern um Prof. Immanuel Bloch (Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Direktor am MPQ) gelang es nun, solche kleinste mobile magnetische Domänen, sogenannte zwei-Magnonen-Zustände, in einem ultrakalten Quantenkristall direkt nachzuweisen und darüber hinaus deren Ausbreitung zu beobachten (Nature, AOP 25. September 2013). Diese Untersuchungen ergänzen die konventionelle Spektroskopie an Festkörperkristallen, die über den Impuls und die Frequenz der Spinwellen Auskunft gibt. Gebundene Anregungszustände beeinflussen z.B. das thermische Verhalten von niedrigdimensionalen Ferromagneten oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Quanteninformation in magnetischen Drähten.

Die magnetischen Eigenschaften von Stoffen sind seit Jahrhunderten bekannt, sie werden fast ebenso lange schon in vielfältigen praktischen Anwendungen genutzt. Heute kann man Magnetismus auf atomarer Ebene erklären und verstehen. Er geht letztendlich auf den Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, der Elektronen zurück, die in der äußersten Schale der Atome eines Festkörperkristalls sitzen. In ferromagnetischen Stoffen sind diese Spins innerhalb der sogenannten Weiss’schen Bezirke einheitlich ausgerichtet.

Ähnliche Verhältnisse lassen sich für Quantenkristalle herstellen, wenn deren Atome einen definierten Spin besitzen. Dazu wird zunächst eine Wolke extrem kalter (d.h. extrem langsamer) Rubidiumatome in ein „optisches Gitter“ geladen, eine kreuzweise Überlagerung stehender Laserwellen. Die periodisch angeordneten hellen Bereiche sind die Gitterplätze, an denen sich die Atome aufhalten dürfen, die dunklen Bereiche wirken als Barrieren, deren Höhe durch die Intensität der Laserstrahlung bestimmt wird. In einem relativ flachen Gitter können die Teilchen auf ihren Nachbarplatz hinüber „tunneln“.

Im hier beschrieben Experiment schränken die Wissenschaftler die Bewegungsfreiheit der Atome jedoch auf eine Kristallrichtung ein – so bilden sich etwa 10 parallel verlaufende „Röhren“, entlang derer die Teilchen sich fortbewegen können.

Bei entsprechend hohen Lichtintensitäten bildet sich ein hochgeordneter „Mott-Zustand“, in dem auf jedem Gitterplatz genau ein Atom sitzt und dort fixiert ist. Die Atome sind dann innerhalb einer Röhre aneinandergereiht wie Perlen auf einer Schnur, wobei alle Spins in dieselbe Richtung weisen – mit anderen Worten, sie stellen einen perfekten Quantenmagneten dar. Bereits vor einigen Monaten gelang es der Bloch-Gruppe, in einer solchen atomaren Kette die Spinrichtung eines einzelnen Teilchens zu ändern und die Ausbreitung der dadurch ausgelösten „Spinwelle“ zu beobachten.

Jetzt gingen die Physiker noch einen Schritt weiter: in der Mitte einer jeden Kette klappten sie, durch gezieltes Adressieren und Einstrahlen von Mikrowellenpulsen, die Spins zweier benachbarter Atome um und erzeugten so eine winzige magnetische Domäne. Diese beiden umgedrehten Elementarmagnete können einzeln, als freie Magnonen, den Quantenmagneten entlang wandern. Aufgrund der ferromagnetischen Wechselwirkung zwischen den benachbarten Spins können sie aber, mit etwa der gleichen Wahrscheinlichkeit, auch aneinander haften bleiben und einen gebunden Zustand aus zwei Magnonen bilden.

Zwei Maßnahmen erlauben es den Physikern, zum einen den gebundenen Zustand explizit nachzuweisen, zum anderen seine Ausbreitungsdynamik sowie die der freien Magnonen zu bestimmen. So haben sie in den letzten Jahren ein spezielles Verfahren entwickelt, das einzelne Atome auf ihren einzelnen Gitterplätzen sichtbar machen kann. Auf diese Weise können sie, quasi unter dem Mikroskop, Atome mit abweichendem Spin von den regulären Gitterbausteinen unterscheiden. Der zweite Trick besteht darin, den Zeitpunkt, an dem die Teilchen zu laufen beginnen, genau einzustellen. Dazu wird die Höhe des Gitters erniedrigt, was die magnetische Wechselwirkung zwischen den Atomen verstärkt. Wie mit einer Stoppuhr lässt sich hochpräzise das Zeitintervall einstellen, nach dem das Gitter wieder erhöht, die magnetische Wechselwirkung abgeschaltet und die Spinausrichtung der Atome „eingefroren“ wird. Indem die Wissenschaftler die jeweilige Anordnung der Spins für eine Serie von unterschiedlichen Zeitabständen fotografieren, können sie die Ausbreitung der ferromagnetischen Anregungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung messen.

„Mit dieser Methode können wir Zustände mit gebundenen Magnonen eindeutig von Zuständen mit freien Magnonen separieren“, erklärt Dr. Christian Groß, Projektleiter am Experiment. „Im ersten Fall sehen wir deutlich, dass die beiden abweichenden Spinzustände bei ihrer Wanderung immer benachbart bleiben. Im zweiten Fall – und auch das ist von großem Interesse – bewegen sich die einzelnen Anregungen anti-korreliert. D.h., hat sich nach einem bestimmten Zeitintervall das eine Magnon um drei Gitterplätze von seiner Ausgangsposition nach links bewegt, dann ist das andere um die gleiche Strecke nach rechts gegangen.“

Wie im wirklichen Leben halten auch in der Quantenwelt gebundene Zustände nicht oder nur im Idealfall ewig. „Nach unseren Messungen nimmt die Zahl der Magnonen-Paare für lange Beobachtungszeiten ab“, erläutert Dr. Takeshi Fukuhara. „Möglicherweise ist der Grund dafür, dass die empfindlichen Spinwellen in geringem Umfang an thermische Anregungen koppeln. An der genauen qualitativen und quantitativen Beschreibung des Zerfalls des gebundenen Magnonen-Zustandes arbeiten wir derzeit.“

Das Aufdecken elementarer quantenmagnetischer Phänomene hilft, die auch in Festkörperkristallen ablaufenden magnetischen Prozesse besser zu verstehen. Die Untersuchung der Spinwellen-Dynamik in einem eindimensionalen Quantenmagneten ist aber auch für potentielle Anwendungen relevant. So kann z.B. die Weitergabe von Quanteninformation in einer eindimensionalen Kette von Quantenbits durch die Entstehung gebundener Magnonenzustände stark beeinflusst werden. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
Takeshi Fukuhara, Peter Schauß, Manuel Endres, Sebastian Hild, Marc Cheneau, Immanuel Bloch, and Christian Groß

Microscopic observation of magnon bound states and their dynamics Nature, AOP 25. September 2013, DOI: 10.1038/nature12541

Kontakt:
Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München, und
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Tel.: +49 (0) 89 / 32 905 -138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de
Dr. Christian Groß
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0) 89 / 32 905 -713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de
Dr. Takeshi Fukuhara
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0) 89 / 32 905 -677
E-Mail: takeshi.fukuhara@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik