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Neutronenforschung: Spin-Glas oder Quanten-Spin-Flüssigkeit?

17. Mai 2018

Als Quanten-Spin-Flüssigkeit bezeichnet man einen neuartigen Materiezustand, bei dem sich Spins nicht in dem geordneten Muster anordnen, wie es von konventionellen Magneten bekannt ist. Typisch sind hingegen langreichweitige Quantenverschränkungen und fraktale Anregungen. Das macht Quanten-Spin-Flüssigkeiten interessant für Anwendungen in der Quantenkommunikation und in Quantencomputern. 1973 schlug der Nobelpreisträger Philip W. Anderson ein Modell für eine Quanten-Spin-Flüssigkeit  mit einer dreieckigen Gitterstruktur vor; jedoch konnte dieses Modell bis heute nicht experimentell bestätigt werden.

Ein internationales Forscherteam um Prof. Jinsheng Wen von der Universität Nanjing in China hat nun herausgefunden, dass bei der Suche nach Quanten-Spin-Flüssigkeiten zu berücksichtigen ist, dass typische Merkmale von Quanten-Spin-Flüssigkeiten auch in anderen Materialien zu finden sind, zum Beispiel in Spin-Glas:

Neutron ScatteringProbe eines YbZnGaO4-Kristalls im 3He-Kryostat-Probenhalter des PANDA-Instruments. Rechts: schematische Darstellung von Philip W. Anderson’s Modell einer zweidimensionalen, dreieckigen Gitterstruktur mit Atomen (Kugeln) und Spins (Pfeile). Fragezeichen stehen für ungeklärte Spinausrichtungen.
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In den vergangenen zwei Jahren mehrten sich die Anzeichen, dass die Verbindung YbMgGaO4 mit einer Deiecks-Gitterstruktur die von Anderson vorgeschlagene Quanten-Spin-Flüssigkeit  sein könnte. Um diese Vermutung zu verifizieren, untersuchten die Forscher sowohl YbMgGaO4 als auch die verwandte Verbindung YbZnGaO4 mit Neutronenstreuung und weiteren Methoden. Die Messergebnisse waren für beide Verbindungen ähnlich und manche ähnelten denen von Quanten-Spin-Flüssigkeiten.

Zum Beispiel beobachteten die Wissenschaftler das quasi-kontinuierliche Anregungsspektrum, das als zwingender Beweis für eine Quanten-Spin-Flüssigkeit gilt. Als Methode nutzten sie dabei inelastische Neutronenstreuung, vorwiegend am Kalten-Dreiachsenspektrometer PANDA, welches das Jülich Centre for Neutron Science am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum betreibt. Tatsächlich handelt es sich bei den untersuchten Proben jedoch um Spin-Glas, wie die Kombination von Messungen der Suszeptibilität, spezifischer Wärme und thermischer Leitfähigkeit bei Temperaturen um 0,05 Kelvin, nahe am absoluten Nullpunkt, und theoretischen Berechnungen ergab. Ein Spin-Glas kann also den Anschein einer Quanten-Spin-Flüssigkeit  erwecken, beruht allerdings auf der Unordnung von Atomen, während für eine Quanten-Spin-Flüssigkeit Quantenfluktuationen nötig sind.

Originalveröffentlichung:

Zhen Ma, Jinghui Wang, Zhao-Yang Dong, Jun Zhang, Shichao Li, Shu-Han Zheng, Yunjie Yu, Wei Wang, Liqiang Che, Kejing Ran, Song Bao, Zhengwei Cai, P. Čermák, A. Schneidewind, S. Yano, J. S. Gardner, Xin Lu, Shun-Li Yu, Jun-Ming Liu, Shiyan Li, Jian-Xin Li, and Jinsheng Wen

Spin-Glass Ground State in a Triangular-Lattice Compound YbZnGaO4

Phys. Rev. Lett. 120, 087201 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.087201

Weitere Informationen:

Kaltes Dreiachsenspektrometer PANDA


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