Quanteneigenschaften spezieller metallischer Magnete enträtselt

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.

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

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