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Neue Art der Spinflüssigkeit nachgewiesen

Quantenzustand im Kristall bleibt bis knapp über dem absoluten Nullpunkt ungeordnet

Cryostat
In einem solchen Cryostat haben Physiker ein Material bis auf20 Millikelvin abgekühlt und dabei einen neuartigen Quantenzustand beobachtet – eine neue Form der Spinflüssigkeit. © Jürgen Jeibmann/ HZDR

Ungeordnet bis zum Schluss: Physiker haben bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt einen neuartigen Quantenzustand nachgewiesen – eine neue Form der Spinflüssigkeit. Bei dieser bleiben die Elektronenspins im kristallinen Material trotz extremer Kälte ungeordnet und damit flüssig, weil sie mit den ebenfalls ungeordnet bleibenden Atomorbitalen im Kristallgitter wechselwirken. Eine solche Spin-Orbital-Flüssigkeit wurde noch nie zuvor beobachtet, wie das Team in „Nature Physics“ berichtet.

In vielen Feststoffen sorgen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomrümpfen des Kristallgitters für ungewöhnliche Effekte. Oft reichen bei solchen topologischen Materialien schon kleine Änderungen von Temperatur, Druck oder elektrischer Spannung, um das Verhalten des Materials drastisch zu ändern. Einige dieser Feststoffe werden zu Supraleitern, andere nehmen exotische Quantenzustände an – sie werden zum Suprafestkörper, bilden ein Spin-Eis oder eine Spinflüssigkeit.

Ungeordnet bis fast zum absoluten Nullpunkt

Die neuartige Variante einer Spinflüssigkeit haben nun Nan Tang von der Universität Tokio und seine Kollegen erzeugt und beobachtet. Als Spinflüssigkeit gilt ein Material, wenn sich die Elektronen in seinem Kristallgitter selbst bei extrem tiefen Temperaturen nicht geordnet ausrichten – sie gefrieren gewissermaßen nie. Während bei den meisten ferromagnetischen Materialien diese Gleichrichtung der Spins ab einer bestimmten Kälte stattfindet und diese Materialien dann magnetisch macht, bleibt dies bei Spinflüssigkeiten aus.

Eine Form solcher Quanten-Spinflüssigkeiten haben Physiker bereits bei einigen speziellen zweidimensionalen Materialien beobachtet. Doch das Team um Tang wollte einen weiteren, neuartigen Spinzustand erzeugen, in dem die Spins wegen ihrer starken Wechselwirkung mit den Atomorbitalen „flüssig“ bleiben. Das allerdings setzt voraus, dass man ein Material findet, in dem auch diese Orbitale bis in tiefste Tempersturen hinunter ungeordnet bleiben.

„Die lange Geschichte der Festkörperphysik zeigt, dass es extrem schwierig ist, eine orbitale Ordnung bis zu tiefen Temperaturen zu unterdrücken – von einer Spin-Orbital-Flüssigkeit ganz zu schweigen“, erklären die Forschenden.

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Seltenerdverbindung als Testkandidat

Doch genau diesen exotischen Zustand haben sie nun erstmals experimentell erzeugt und nachgewiesen. Dafür setzten Tang und sein Team auf einen besonders reinen Kristall aus Zirkonium, Sauerstoff und dem Seltenerdmetall Praseodym. Denn ihren theoretischen Berechnungen zufolge sollte das Kristallgitter in solchen Seltenerd-Verbindungen so beschaffen sein, dass die Elektronenspins auf besondere Weise mit ihren Orbitalen wechselwirken.

Für das Experiment kühlte das Team eine kleine Probe dieses Kristalls in einem externen Magnetfeld langsam bis auf 20 Millikelvin ab. An diesem Endpunkt lag die Temperatur nur noch ein fünfzigstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts. Um den Zustand des Materials und mögliche Wechsel des Quantenzustands zu erfassen, maßen die Physiker dabei Längenveränderungen des Kristals und ermittelten seine Reaktion auf Ultraschallwellen.

Keine Sprünge, keine Ordnung

Das Ergebnis: „Wären die Spins geordnet, hätte dies eine sprunghafte Änderung im Verhalten des Kristalls bewirken müssen, etwa eine plötzliche Längenänderung“, berichtet Koautor Sergei Zherlitsyn vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Doch trotz starker Abkühlung blieb diese Reaktion aus. „Wir haben gesehen: Da passiert nichts!“

Ähnliches galt für die Ausbreitung der Ultraschallwellen im Material, den zweiten Indikator einer Zustandsänderung: Der Kristall leitete die Wellen mit zunehmender Kälte immer langsamer. „Diese Aufweichung setzt sich bis zu einem Minimum bei 400 Millikelvin fort, ohne dass dabei ein abrupter Wechsel auftritt“, berichten Tang und seine Kollegen. Dies spreche dafür, dass die Atome im ungeordneten – flüssigen – Quantenzustand geblieben sind.

Von der Grundlagenforschung zum praktischen Nutzen

Damit haben die Physiker einen neuen Quantenzustand nachgewiesen – eine Spinflüssigkeit, in der der ungeordnete Zustand der Spins durch die intensive Interaktion mit den ebenfalls ungeordneten Atomorbitalen erhalten bleibt. Noch ist dieser Nachweis reine Grundlagenforschung und hilft dabei, die komplexen Wechselwirkungen in Feststoffen zu verstehen. Aber in der Zukunft könnte eine solche Spinflüssigkeit auch praktischen Nutzen erhalten.

„Womöglich lässt sich der neue Quantenzustand irgendwann nutzen, um hochempfindliche Quantensensoren zu entwickeln“, spekuliert Koautor Jochen Wosnitza vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. „Dazu müssten wir allerdings noch herausfinden, wie sich gezielt Anregungen in diesem Zustand erzeugen lassen.“ (Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01816-4)

Quelle: Nature Physics, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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