Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenmagnete mit Löchern

04.08.2017

MPQ-Wissenschaftler decken verborgene magnetische Ordnung in eindimensionalen, mit Löchern dotierten Quantenkristallen auf.

Magnetismus ist ein Phänomen, das uns vom Alltag her sehr vertraut ist. Er beruht darauf, dass in bestimmten Stoffen wie etwa Eisen die Spins der Elektronen einheitlich ausgerichtet sind. Besonders interessante Effekte treten auf, wenn magnetische Festkörperkristalle „Löcher“ aufweisen, d.h., wenn an bestimmten Gitterplätzen ein Elektron fehlt.


Aufnahme einer atomaren Kette mit dem Quantengasmikroskop. Atome unterschiedlicher Spin-Richtung sind räumlich getrennt: ist der Spin abwärts gerichtet (grün), dann befinden sich die Atome im unteren Teil der Doppelstruktur des Gittertopfs; weist der Spin nach oben (rot), dann ist das Atom im oberen Teil. Auch die Löcher sind klar zu erkennen. Grafik: MPQ, Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme

Hier kommt es zu einem Wechselspiel zwischen der Bewegung der Fehlstelle und den magnetischen Korrelationen der Elektronen-Spins, wodurch die magnetische Ordnung des Kristalls nicht mehr so stark zu Tage tritt. Festkörperphysiker können im Allgemeinen die beiden Prozesse nicht separieren und daher die Frage, ob die magnetische Ordnung in der Tat reduziert oder nur verdeckt ist, nicht beantworten.

Ein Forscherteam um Dr. Christian Groß aus der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme (Direktor Prof. Immanuel Bloch) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat jetzt gezeigt, dass die magnetische Ordnung in eindimensionalen Quantenmagneten erhalten bleibt, auch wenn sie mit Löchern dotiert sind, und damit einen wichtigen Nachweis für die Trennung von Spin und Ladung (Dichte) erbracht.

Die Quantenkristalle werden dabei aus kalten Atomen in optischen Gittern erzeugt. Voraussetzung dafür war die Möglichkeit, die Bewegung des Lochs und die Anregung der Spins in einem Messprozess jeweils getrennt zu beobachten (Science, 4. August 2017).

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler das Verfahren auf zweidimensionale Systeme ausweiten. Hier wäre die Wechselwirkung von Löchern mit den magnetischen Korrelationen noch weitaus komplexer und könnte zu der Entdeckung von exotischen Materiephasen führen, die z.B. für die sogenannte Hochtemperatur-Supraleitung verantwortlich sind.

Die Garchinger Wissenschaftler kühlen zunächst ein Ensemble von fermionischen Lithium-6-Atomen auf extrem tiefe Temperaturen, etwa einem Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Die Atome werden in einer aus Laserstrahlen gebildeten optischen Falle so eingefangen, dass sie sich in einer Ebene anordnen.

Diese wird wiederum in rund 10 parallel verlaufende Röhrchen aufgespalten, innerhalb der sich die Atome bewegen können. Im letzten Schritt wird den Röhrchen ein optisches Gitter überlagert. Es entspricht dem periodischen Potential, das Elektronen in einem Festkörperkristall spüren.

So wie Elektronen tragen auch Lithium-Atome einen Spin-1/2-Zustand (bzw. ein magnetisches Moment), der aufwärts oder abwärts zeigen kann. Bereits in einem früheren Experiment haben die Wissenschaftler gezeigt, dass sich in einem solchen System die magnetischen Momente benachbarter Atome unterhalb einer bestimmten Temperatur entgegengesetzt ausrichten und somit zu antiferromagnetischen Korrelationen führen.

In dem Nachfolgeexperiment gehen die Physiker der Frage nach, wie sich Löcher auf den Ordnungsgrad des Quantenkristalls auswirken. „Die Dotierung mit Löchern erreichen wir dadurch, dass wir in das optische Gitter weniger Atome laden, als Gitterplätze vorhanden sind“, erklärt Timon Hilker, Erstautor und Doktorand an dem Experiment. „Die spannende Frage ist nun, ob die Löcher statisch oder beweglich sind, und wie sie sich auf den Ordnungsgrad des Systems auswirken.“

Wir alle kennen die Situation: bleibt im Theater in der Mitte einer Stuhlreihe ein Sitz frei, dann kommt Bewegung in die Menge, nach und nach rücken Zuschauer auf – anders ausgedrückt: das Loch wandert. Etwas Ähnliches können die Physiker an ihrem Quantensystem mit ihrem Quantengasmikroskop beobachten, mit dem sie die genaue Position der Atome und der Fehlstellen mit Einzelplatzauflösung erkennen. „Im Unterschied zum leer gebliebenen Sitzplatz im Theater sind diese Löcher aber delokalisiert“, betont Timon Hilker. „Erst bei der Messung entscheidet sich, wo sie sich genau befinden.“

Auf den ersten Blick reduzieren bzw. verdecken die Fluktuationen der Atome im Gitter die antiferromagnetischen Korrelationen. Das Team von Christian Groß vermag jedoch genauer hinzuschauen. Die Forscher haben nämlich ein Verfahren entwickelt, Atome unterschiedlicher Spin-Richtung räumlich zu trennen. Dafür überlagern sie dem optischen Gitter noch ein Übergitter, sodass, in Kombination mit einem magnetischen Feldgradienten, in jedem Gittertopf eine Doppelstruktur entsteht, deren Potential von der Spin-Richtung abhängt. Die große technische Herausforderung dabei besteht darin, dass Übergitter und optisches Gitter auf Nanometer genau, also auf Bruchteile der Wellenlänge, justiert werden müssen.

„Auf diese Weise können wir in unserem System sowohl die Löcher als auch die beiden Spin-Richtungen auf einen Schlag erkennen“, betont Dr. Christian Groß, der Leiter des Projektes. „So können wir uns direkt die Umgebung eines Lochs anschauen. Wir sehen, dass im Allgemeinen die Ordnung erhalten bleibt, d.h. dass die beiden Spins links und rechts von einem Loch antiparallel ausgerichtet sind. Und bei der Auswertung unserer Aufnahmen, die jeden Spin und jedes Loch in dem System aufzeigen, können wir die Löcher in gewisser Weise heraus rechnen. Solche nicht-lokalen Messungen sind experimentelles Neuland und öffnen neue Perspektiven für die Untersuchung exotischer Materiephasen.“

Die Wissenschaftler wollen mit dieser Methode jetzt auch zweidimensionale Löcher-dotierte Quantenkristalle untersuchen. Das wäre ein neuer Ansatz, das Verhalten von zweidimensionalen korrelierten Elektronensystemen zu simulieren, die Fehlstellen enthalten. Solche Experimente könnten zu einem besseren Verständnis der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitung führen.

Damit bezeichnet man das vor rund 30 Jahren entdeckte Phänomen, dass in bestimmten keramischen Verbindungen mit kupferhaltigen Schichten der elektrische Widerstand bereits oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff verschwindet. Nach einem gängigen theoretischen Modell spielt dabei das Wechselspiel zwischen Löchern und antiferromagnetischen Korrelationen eine ganz zentrale Rolle. Olivia Meyer-Streng

Bildbeschreibung:
Aufnahme einer atomaren Kette mit dem Quantengasmikroskop. Atome unterschiedlicher Spin-Richtung sind räumlich getrennt: ist der Spin abwärts gerichtet (grün), dann befinden sich die Atome im unteren Teil der Doppelstruktur des Gittertopfs; weist der Spin nach oben (rot), dann ist das Atom im oberen Teil. Auch die Löcher sind klar zu erkennen.

Originalveröffentlichung:
Timon Hilker, Guillaume Salomon, Fabian Grusdt, Ahmed Omran, Martin Boll, Eugene Demler, Immanuel Bloch, and Christian Gross
Revealing Hidden Antiferromagnetic Correlations in Doped Hubbard Chains via String Correlators
Science, 4 August 2017, DOI:10.1126/science.aam8990

Kontakt:

Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de

Dr. Christian Groß
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de

Timon Hilker
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 229
E-Mail: timon.hilker@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

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: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

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

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

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