Festkörperphysik: Vorhersage der Quantenphysik experimentell nachgewiesen

Im Grundzustand sind die magnetischen Momente entweder auf- oder abwärts gerichtet, die zum äußeren Magnetfeld antiparallelen Spins (rot) sind nie zusammen (rechts). Durch Anregung können sich weitere Spins antiparallel ausrichten und Bethe-Ketten entstehen (weiße Spins, links). © HZB

Die regelmäßige Anordnung der Atome in einem Kristall ermöglicht komplexe Wechselwirkungen, die zu neuen Materiezuständen führen können. So gibt es auch Kristalle, die zwar räumlich dreidimensional sind, aber nur entlang einer Richtung magnetische Wechselwirkungen aufweisen, so dass sie magnetisch eindimensional sind.

Zeigen aufeinanderfolgende magnetische Momente in entgegengesetzte Richtungen, dann haben wir es mit einem eindimensionalen Antiferromagneten zu tun. Hans Bethe beschrieb dieses System erstmals 1931 theoretisch.

Dabei folgerte er aus seiner Modellierung auch, dass es möglich sein müsse, durch Energiezufuhr auch Ketten von zwei oder mehr magnetischen Momenten zu erzeugen, die in eine Richtung zeigen. Diese Ketten nannte man Bethe-Strings.

Diese Bethe-Strings lassen sich unter „normalen“ Bedingungen nicht beobachten, sie sind instabil und werden durch andere Merkmale des Systems verdeckt. Nun gelang es einer internationalen Kooperation um die HZB-Physikerin Prof. Bella Lake, durch Anlegen eines starken äußeren Magnetfeldes diese Bethe-Strings zu isolieren und experimentell sichtbar zu machen.

Zunächst stellte ein Experte aus dem Lake-Team Kristalle aus SrCo2V2O8 her, einem eindimensionalen Antiferromagnetikum, das als Modellsystem dient. Nur die Kobaltatome haben magnetische Momente, sie richten sich alle nur entlang einer Kristallachse aus, wobei sich benachbarte Momente gegenseitig aufheben.

An der Berliner Neutronenquelle BER II konnte die Probe mit Neutronen unter extrem hohen Magnetfeldern bis zu 25,9 Tesla untersucht werden.

Aus den Daten erhielten die Physiker ein Phasendiagramm der Probe als Funktion des Magnetfeldes sowie weitere Informationen über die inneren magnetischen Muster. Diese konnten sie mit den Voraussagen von Bethe, die von einer theoretischen Gruppe unter der Leitung von Jianda Wu quantifiziert wurden.

„Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der Theorie“, sagt Bella Lake. „Wir konnten zwei und sogar drei Ketten von Bethe-Strings eindeutig identifizieren und ihre Energieabhängigkeit bestimmen. Diese Ergebnisse zeigen uns einmal mehr, wie gut Quantenphysik experimentelle Ergebnisse erklären kann.“

Nature Physics (2020): Dispersions of Many-Body Bethe Strings Anup Kumar Bera, Jianda Wu, Wang Yang, Robert Bewley, Martin Boehm, Jianhui Xu, Maciej Bartkowiak, Oleksandr Prokhnenko, Bastian Klemke, A. T. M. Nazmul Islam, Joseph Mathew Law, Zhe Wang and Bella Lake

DOI: 10.1038/s41567-020-0835-7

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Dr. Antonia Rötger Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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