Zum ersten Mal in der Geschichte! Der Grundzustand einer Quantenspinflüssigkeit wird erstmals beobachtet

Originaltitel: Erstmals Grundzustand einer Quanten-Spinflüssigkeit beobachtet

Ein internationales Forscherteam aus Wissenschaftlern aus den USA, Deutschland und Kanada schrieb in der neuesten Ausgabe von Physical Review X, dass sie erstmals den „Quantenspinflüssigkeits-Grundzustand“ im magnetischen Material Ce2Zr2O7 beobachtet hätten. Die neuesten Forschungsergebnisse dürften neue Wege für die Entwicklung von Quantencomputern eröffnen.

Der Spin ist eine innere Eigenschaft von Elektronen, die mit ihrer Rotation zusammenhängt, und es ist dieser Spin, der das Material im Inneren eines Magneten magnetisch macht. In manchen Materialien kann Spin zu struktureller Unordnung führen, ähnlich wie bei Molekülen in einer Flüssigkeit, daher der Begriff „Spinflüssigkeit“. Die wichtigste Eigenschaft von Spinflüssigkeiten besteht darin, dass sie auch bei Abkühlung auf den absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) ungeordnet bleiben. Dies liegt daran, dass die Richtung der Spins beim Abkühlen des Materials weiterhin schwankt, statt sich in einem festen Zustand zu stabilisieren, wie es bei herkömmlichen Magneten der Fall ist, bei denen alle Spins ausgerichtet sind.

Stellen Sie sich ein Elektron als eine winzige Kompassnadel vor, die nach oben oder unten zeigt, erklärten die Forscher. Bei herkömmlichen Magneten zeigen alle Elektronenspins in die gleiche Richtung, entweder nach oben oder nach unten, und bilden die sogenannte „ferromagnetische Phase“. Doch in einer Quantenspinflüssigkeit sind die Elektronen in einem dreieckigen Gitter angeordnet und bilden Dreiecke, die durch starke Turbulenzen gekennzeichnet sind, die ihre Ordnung stören. Das Ergebnis ist eine verschränkte Wellenfunktion ohne magnetische Ordnung.

„Wenn man ein drittes Elektron hinzufügt, können sich die Elektronenspins nicht ausrichten, weil die beiden benachbarten Elektronen entgegengesetzte Spins haben, was zu dem führt, was wir magnetische Frustration nennen“, erklärt Andrea Bianchi, Professor für Physik an der Universität Montreal und Leiter der neuesten Forschung. „Dieser Grundzustand erzeugt Anregungen, die die Spin-Unordnung und damit den flüssigen Zustand auch bei sehr niedrigen Temperaturen aufrechterhalten.“

Bianchi sagte, dass Ce2Zr2O7 ein Cer-basiertes Material mit magnetischen Eigenschaften sei. Wissenschaftler haben diese Verbindung bereits zuvor hergestellt und in der neuen Studie wurde sie in einer einzigartigen reinen Form gewonnen. Sie verwendeten in einem optischen Ofen geschmolzene Proben, um eine nahezu perfekte dreieckige Atomanordnung zu erzeugen, und untersuchten dann den Quantenzustand. Die Ergebnisse zeigten, dass es dieses nahezu perfekte Dreieck war, das es ihnen ermöglichte, magnetische Frustration in Ce2Zr2O7 zu erzeugen.

„Unsere Messungen zeigen, dass sich die Teilchenfunktionen überlappen, es gibt also kein klares Anzeichen für eine klassische magnetische Ordnung“, sagte Bianchi. „Darüber hinaus beobachteten wir eine ständig schwankende Verteilung der Spinorientierungen, die charakteristisch für Spinflüssigkeiten und magnetische Frustration ist. Dies legt nahe, dass sich das von uns erzeugte Material bei niedrigen Temperaturen wie eine echte Spinflüssigkeit verhält.“

Nachdem das Team diese Beobachtungen durch Computersimulationen bestätigt hatte, kam es zu dem Schluss, dass es tatsächlich einen noch nie zuvor gesehenen Quantenzustand beobachtet hatte – den Quanten-Spinflüssigkeits-Grundzustand.