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 Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher
28.03.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit