Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanteneigenschaften spezieller metallischer Magnete enträtselt

27.04.2015

Forscherteam aus Augsburg und Hiroshima berichtet in Science Advances über die erstmals gelungene Charakterisierung einer sogenannten Quantenspinflüssigkeit.

Kühlt man Materialien zu immer tieferen Temperaturen, so nimmt die Bewegung ihrer atomaren Bestandteile ab. Daher liegen bei tiefen Temperaturen alle Elemente und Verbindungen im festen Aggregatszustand vor.


Prof. Dr. Philipp Gegenwart vor der Tieftemperatur-Messapparatur, mit der er und seine Kollegen die Quanteneigenschaften von CeRhSn enträtseln konnten.

Foto: Klaus Satzinger-Viel

Eine bereits bekannte Ausnahme bildet das Edelgas Helium: Selbst am absoluten Nullpunkt − also bei minus 273.15°C– bleibt dieses Element unter Normaldruck im flüssigen Zustand. Ursache für dieses Phänomen ist die Heisenbergsche Nullpunktsenergie, eine Folge der Quantenmechanik. Daher wird Helium als „Quanten-Flüssigkeit“ bezeichnet.

In „Science Advances“ berichten jetzt Physiker der Universität Augsburg gemeinsam mit Kollegen von der japanischen Hiroshima University über die Synthese und Untersuchung von Kristallen aus einer speziellen Verbindung von Cer, Rhodium und Zinn, CeRhSn. Die als Spins bezeichneten magnetischen Momente in diesem Material gehen bei Abkühlen selbst bis zu wenigen Tausendsteln Grad über dem absoluten Nullpunkt nicht in einen geordneten Zustand über. Stattdessen zeigen Sie Quanten-Spinflüssigkeitsverhalten mit neuartigen Eigenschaften in gewisser Analogie zu flüssigem Helium.

Die kleinsten Bestandteile in Magneten werden Spins genannt. Üblicherweise sind diese Spins bei tiefen Temperaturen stabil und regelmäßig ausgerichtet. Verursacht werden diese Stabilität und die regelmäßige Ausrichtung durch die paarweisen Wechselwirkungen zwischen jeweils benachbarten Spins.

In CeRhSn-Kristallen, über deren Untersuchung die Augsburger Physiker und ihre Kollegen jetzt in „Science Advances“ berichten, sind die Spins ungewöhnlich angeordnet. Sie sitzen auf den Ecken miteinander verbundener Dreiecke. Diese spezielle Struktur macht es unmöglich, dass sich die übliche Ordnung ausbildet, bei der alle nächsten Nachbarspins antiparallel zueinander stehen.

Man bezeichnet das als geometrische Frustration. Sie begünstigt, dass die bei tiefen Temperaturen immer auftretenden Quantenfluktuationen in solchen Materialien einen besonders starken Einfluss haben und zu einem instabilen und fluktuierenden magnetischen Verhalten führen. “Dieser Zustand wird Quanten-Spinflüssigkeit genannt, ist aber experimentell noch so gut wie unerforscht“, erläutert Prof. Dr. Philipp Gegenwart, Leiter des Augsburger Lehrstuhls für Experimentalphysik VI.

Bisherige Untersuchungen zu den ungelösten Fragen im Zusammenhang mit Quanten-Spinflüssigkeiten hätten sich auf elektrisch isolierende Magneten beschränkt, so der Augsburger Wissenschaftler. „Wir haben einen neuen Weg eingeschlagen und erstmals in einem metallischen Magneten Hinweise auf Quanten-Spinflüssigkeitsverhalten beobachten können. Hierzu haben wir die Verbindung CeRhSn gezielt gewählt, um sowohl geometrische Frustration als auch eine zusätzliche Schwächung der magnetischen Ordnung durch die Wechselwirkung der magnetischen Momente mit Leitungselektronen zu erreichen."

Zu diesem Zweck wurden von den japanischen Projektpartnern hochwertige CeRhSn-Kristalle hergestellt, die in Augsburg dann mit speziell entwickelten, hochempfindlichen Messmethoden untersucht wurden. Zu diesen Methoden zählt u. a. die Detektion von kleinsten Längenänderungen bei Temperaturen bis zu wenigen Tausendsteln Grad über dem absoluten Nullpunkt.

„Unsere Messungen an CeRhSn-Kristallen beweisen, dass die Spins in Quanten-Spinflüssigkeiten nicht erstarren, sondern vielmehr bis zu den tiefsten Temperaturen ihren flüssigkeitsartigen Zustand beibehalten, weil sie sich aufgrund ihrer geometrischen Frustration quanten-kritisch verhalten", so Philipp Gegenwart.

Auf das Anwendungspotential der Forschung angesprochen, erläutert Prof. Gegenwart, dass es eine wichtige Aufgabe moderner Materialforschung sei, neue Substanzen und deren Verhalten zu charakterisieren. „Ohne Grundlagenforschung“, sagt er, „gibt es keine langfristige technologische Entwicklung. Wir konnten anhand von CeRhSn jetzt erstmals exemplarisch eine metallische Quantenspinflüssigkeit charakterisieren und so ein vielversprechendes neues Forschungsfeld eröffnen.“

Publikation:
Y. Tokiwa, C. Stingl, M. S. Kim, T. Takabatake, P. Gegenwart, Characteristic signatures of quantum criticality driven by geometrical frustration. Sci. Adv. 1, e1500001 (2015).

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Philipp Gegenwart
Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/EKM
Institut für Physik / Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821/598-3650
philipp.gegewart@physik.uni-augsburg.de

Weitere Informationen:

http://advances.sciencemag.org/content/1/3/e1500001

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Raumschrott im Fokus
22.05.2018 | Universität Bern

nachricht Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.
18.05.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics