Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Exotischer Materiezustand: "Flüssige" Quantenspins bei tiefsten Temperaturen beobachtet

26.07.2016

Ein Team am HZB hat experimentell eine sogenannte Quanten-Spinflüssigkeit in einem Einkristall aus Kalzium-Chrom-Oxid nachgewiesen. Dabei handelt es sich um einen neuartigen Materiezustand. Das Besondere an dieser Entdeckung: Nach gängigen Vorstellungen war das Quantenphänomen in diesem Material gar nicht möglich. Nun liegt eine Erklärung vor. Die Arbeit erweitert das Verständnis von kondensierter Materie und könnte auch für die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern von Bedeutung sein. Die Ergebnisse sind nun in Nature Physics veröffentlicht.

Es entspricht unserer alltäglichen Erfahrung, dass Materie bei tiefen Temperaturen gefriert und die Atome eine feste, regelmäßige Struktur bilden. Auch in magnetischen Materialien kommen die magnetischen Momente der Elektronen (Spins) bei sinkenden Temperaturen zur Ruhe und richten sich starr aus.


Im Kristallgitter von Kalzium-Chrom-Oxid gibt es sowohl ferromagnetische Wechselwirkungen (grüne und rote Balken) als auch antiferromagnetische (blaue Balken).

HZB

Allerdings gibt es seltene Ausnahmen: In sogenannten Quanten-Spinflüssigkeiten bleiben die Elektronenspins selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beweglich. Nach bisherigem Verständnis sind dafür antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen den Spins verantwortlich, die die Spins antiparallel ausrichten.

So können sich die Spins an den Ecken eines Dreiecks nicht zu beiden Nachbaratomen gleichzeitig antiparallel (antiferromagnetische Kopplung) ausrichten. Diese „Frustration“ sorgt dafür, dass die Spins selbst am absoluten Nullpunkt nicht zur Ruhe kommen und wie in einer Flüssigkeit beweglich bleiben. Die parallele Ausrichtung (ferromagnetische Kopplung) ist dagegen immer gut möglich. Entsprechend kamen bislang nur wenige Materialien für Spinflüssigkeiten in Frage.

Einkristalle mit komplexen magnetischen Wechselwirkungen

Nun hat ein HZB-Team um Prof. Dr. Bella Lake erstmalig am HZB Einkristalle aus Kalzium-Chrom-Oxid (Ca10Cr7O28 ) hergestellt und untersucht. Kalzium-Chrom-Oxid ist aus so genannten Kagomé-Gittern aufgebaut, die an japanische Flechtmuster aus Dreiecken und Sechsecken erinnern.

Dabei bildet sich in Kalzium-Chrom-Oxid ein komplexes Set an magnetischen Wechselwirkungen: So gibt es nicht nur antiferromagnetische Kopplungen, sondern auch sehr starke ferromagnetische Wechselwirkungen, die nach dem gängigen Modell eine Spinflüssigkeit verhindern müssten. Experimente an verschiedenen Neutronenquellen in Deutschland, Frankreich, England und den USA zeigten jedoch, dass die Spins in diesen Proben auch noch bei tiefsten Temperaturen von 20 Millikelvin hochbeweglich bleiben.

Auch Myonen-Spektroskopie-Messungen am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz belegten, dass sich die Spins in diesem Kristall wie eine Flüssigkeit verhalten. Bei diesem Verfahren nutzen Forscher Myonen – instabile Elementarteilchen – um Vorgänge in Materialien zu untersuchen. Insbesondere lassen sich damit Magnetfelder im Inneren eines Materials vermessen. In Europa können Myonen-Spektroskopie-Messungen nur an zwei Forschungszentren durchgeführt werden.

Konkurrenz der Kräfte

Der theoretische Physiker Prof. Dr. Johannes Reuther, HZB, konnte nun mit Hilfe dieser experimentellen Hinweise das Bild von Spinflüssigkeiten entsprechend erweitern. Mit numerischen Simulationen zeigte er, wie die verschiedenen magnetischen Kopplungen in Kalzium-Chrom-Oxid miteinander konkurrieren und die Spins in dynamischer Bewegung halten.

Mehr Kandidaten für Spinflüssigkeiten

"Wir haben experimentell nachgewiesen, dass interessante Quantenzustände wie Spinflüssigkeiten auch in deutlich komplexeren Kristallen mit unterschiedlichen magnetischen Wechselwirkungen auftreten können", sagt Dr. Christian Balz, Erstautor der Arbeit.

Und Bella Lake erklärt: "Die Arbeit erweitert nicht nur das Verständnis von kristalliner Materie, sondern zeigt auch, dass es sehr viel mehr Kandidaten für Spinflüssigkeiten gibt, als erwartet. Dies könne in Zukunft für die Entwicklung von Quantencomputern interessant sein, denn Spinflüssigkeiten gelten als mögliche Bausteine für kleinste Informationseinheiten, die so genannten qubits.“

Zur Publikation: Physical realization of a quantum spin liquid based on a novel frustration mechanism, Christian Balz, Bella Lake, Johannes Reuther, Hubertus Luetkens, Rico Schönemann, Thomas Herrmannsdörfer, Yogesh Singh, A.T.M. Nazmul Islam, Elisa M. Wheeler, Jose A. Rodriguez-Rivera, Tatiana Guidi, Giovanna G. Simeoni, Chris Baines, Hanjo Ryll, Nature Physics (2016)

DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3826

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultraschneller Blick in die Photochemie der Atmosphäre
11.10.2019 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?
10.10.2019 | Universität Heidelberg

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: Controlling superconducting regions within an exotic metal

Superconductivity has fascinated scientists for many years since it offers the potential to revolutionize current technologies. Materials only become superconductors - meaning that electrons can travel in them with no resistance - at very low temperatures. These days, this unique zero resistance superconductivity is commonly found in a number of technologies, such as magnetic resonance imaging (MRI).

Future technologies, however, will harness the total synchrony of electronic behavior in superconductors - a property called the phase. There is currently a...

Im Focus: Ultraschneller Blick in die Photochemie der Atmosphäre

Physiker des Labors für Attosekundenphysik haben erkundet, was mit Molekülen an den Oberflächen von nanoskopischen Aerosolen passiert, wenn sie unter Lichteinfluss geraten.

Kleinste Phänomene im Nanokosmos bestimmen unser Leben. Vieles, was wir in der Natur beobachten, beginnt als elementare Reaktion von Atomen oder Molekülen auf...

Im Focus: Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?

Wie kommt es, dass manche Neutronensterne zu den stärksten Magneten im Universum werden? Eine mögliche Antwort auf die Frage nach der Entstehung dieser sogenannten Magnetare hat ein deutsch-britisches Team von Astrophysikern gefunden. Die Forscher aus Heidelberg, Garching und Oxford konnten mit umfangreichen Computersimulationen nachvollziehen, wie sich bei der Verschmelzung von zwei Sternen starke Magnetfelder bilden. Explodieren solche Sterne in einer Supernova, könnten daraus Magnetare entstehen.

Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?

Im Focus: How Do the Strongest Magnets in the Universe Form?

How do some neutron stars become the strongest magnets in the Universe? A German-British team of astrophysicists has found a possible answer to the question of how these so-called magnetars form. Researchers from Heidelberg, Garching, and Oxford used large computer simulations to demonstrate how the merger of two stars creates strong magnetic fields. If such stars explode in supernovae, magnetars could result.

How Do the Strongest Magnets in the Universe Form?

Im Focus: Wenn die Erde flüssig wäre

Eine heisse, geschmolzene Erde wäre etwa 5% grösser als ihr festes Gegenstück. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie unter der Leitung von Forschenden der Universität Bern. Der Unterschied zwischen geschmolzenen und festen Gesteinsplaneten ist wichtig bei die Suche nach erdähnlichen Welten jenseits unseres Sonnensystems und für das Verständnis unserer eigenen Erde.

Gesteinsplaneten so gross wie die Erde sind für kosmische Massstäbe klein. Deshalb ist es ungemein schwierig, sie mit Teleskopen zu entdecken und zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Bildung.Regional.Digital: Tagung bietet Rüstzeug für den digitalen Unterricht von heute und morgen

10.10.2019 | Veranstaltungen

Zukunft Bau Kongress 2019 „JETZT! Bauen im Wandel“

10.10.2019 | Veranstaltungen

Aktuelle Trends an den Finanzmärkten im Schnelldurchlauf

09.10.2019 | Veranstaltungen

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

Fraunhofer IZM setzt das E-Auto auf die Überholspur

11.10.2019 | Energie und Elektrotechnik

IVAM-Produktmarkt auf der COMPAMED 2019: Keine Digitalisierung in der Medizintechnik ohne Mikrotechnologien

11.10.2019 | Messenachrichten

Kryptografie für das Auto der Zukunft

11.10.2019 | Informationstechnologie

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