Fluktuationen, untersucht mit Neutronen

  • 07. April 2014

Äußerer Druck sorgt für Phasenübergang, bei dem TlCuCl3 quantenphysikalisch schmilzt.

Durch Quanteneffekte ausgelöste Änderungen des Aggregatzustands, sogenannte Quantenphasenübergänge, spielen bei vielen erstaunlichen Phänomenen in Festkörpern, wie der Hochtemperatursupraleitung eine Rolle. Forschende aus der Schweiz, England, Frankreich und China haben nun in der magnetischen Struktur des Materials TlCuCl3 Quanteneffekte gezielt verändert, indem sie das Material äußerem Druck aussetzten und diesen Druck variierten. Mithilfe von Neutronen konnten sie beobachten, was bei einem Quantenphasenübergang passiert, bei dem die magnetische Struktur quantenphysikalisch schmilzt.

Abb.: Phasendiagram des Materials TlCuCl3 bei tiefen Temperaturen: Der quantenkritische Punkt (QCP) separiert die Phase ohne magnetische Ordnung bei niedrigem Druck von der mit bei hohem Druck. (Bild: PSI / C. Rüegg)

Abb.: Phasendiagram des Materials TlCuCl3 bei tiefen Temperaturen: Der quantenkritische Punkt (QCP) separiert die Phase ohne magnetische Ordnung bei niedrigem Druck von der mit bei hohem Druck. (Bild: PSI / C. Rüegg)

Die Quantenphysik sagt voraus, dass man mit dem Schmelzen von Wasser vergleichbare Phänomene beobachten kann, wenn sich die Quantenfluktuationen in einem System ändert. Solche Quantenphasenübergänge spielen bei vielen erstaunlichen Phänomenen in Festkörpern wie der Hochtemperatursupraleitung eine Rolle. Forschende aus der Schweiz, England, Frankreich und China haben nun in der magnetischen Struktur des Materials TlCuCl3 Quantenfluktuationen gezielt verändert, indem sie das Material äußerem Druck aussetzten und diesen Druck variierten. Mithilfe von Neutronen konnten sie beobachten, was bei einem Quantenphasenübergang passiert, bei dem die magnetische Struktur quantenphysikalisch schmilzt. So konnten sie die Vorgänge bei diesem „Quantenschmelzen“ mit klassischen Phasenübergängen vergleichen.

Forschende des Paul Scherrer Instituts in Villigen, Schweiz, haben nun mit Kollegen am University College London, dem Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, der Universität Bern und der Universität Renmin in Peking, China die Wirkung der Quantenfluktuationen und ihr Zusammenspiel mit klassischen Fluktuationen in dem Material TlCuCl3 genau untersucht. Die Proben waren an der Universität Bern hergestellt worden. Die besondere experimentelle Herausforderung bestand darin, die Quantenfluktuationen gezielt zu verändern.

Klassische Fluktuationen zu ändern, ist relativ einfach – man muss das Material abkühlen oder erwärmen. Um die Quantenfluktuationen in einem Material zu kontrollieren, muss man aber die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten gezielt variieren. Die Forschenden nutzten die Tatsache, dass TlCuCl3 relativ weich ist, sodass man mit äußerem Druck atomare Abstände und damit die Wechselwirkung innerhalb des Materials gut verändern kann. Im Experiment haben sie so über einen großen Bereich Druck und Temperatur variiert und das Material mit Neutronen aus den Neutronenquellen des PSI und des ILL untersucht. So konnten sie genau bestimmen, wie sich die Zustände des Materials verändern.

Bei niedrigem Druck waren die magnetischen Kräfte zwischen den magnetischen Momenten am schwächsten, und die Quantenfluktuationen der magnetischen Momente am stärksten. Damit war auch die „Unordnung“ unter den magnetischen Momenten am größten. „Diese Unordnung sieht aber anders aus als in einem klassischen System. Dort sind die Richtungen der magnetischen Momente im unmagnetischen Zustand einfach zufällig verteilt“, erklärt Christian Rüegg, Laborleiter am Paul Scherrer Institut und Leiter des Forschungsprojekts. „Hier hingegen bilden zwei benachbarte Momente jeweils ein Paar, wobei die beiden Momente in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Paaren ist aber nicht stark genug, sodass keine Ordnung mit langer Reichweite entsteht. Innerhalb des Paares sind die Momente aber genau entgegengesetzt.“

Dabei ist nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht festgelegt, welches der Momente eines Paares in welche Richtung weist. Dieses vollständige Unwissen über die Ausrichtung der einzelnen Momente spiegelt sich in der maximalen Quantenfluktuation wider. Erhöht man nun den Druck, rücken die magnetischen Momente zusammen, sodass die Momente aus benachbarten Paaren einander stärker spüren und allmählich eine langreichweitige Ordnung entsteht – es kommt zum Quantenphasenübergang.

In ihrem Experiment haben sich die Forscher vor allem für die magnetischen „Anregungen“ im Inneren des Materials interessiert, die sehr präzise Informationen zu den Quantenzuständen der Momente liefern können. Solche Anregungen kann man sich als gemeinsame, koordinierte Schwingung der magnetischen Momente vorstellen. Je mehr Anregungen man hat, umso stärker bewegen sich die magnetischen Momente. Die Quantenphysik schreibt vor, dass die Anregungen in TlCuCl3 eine Mindeststärke haben müssen und auch nur in festgelegten Stufen stärker werden können. Wie stark die Mindestenergie einer bestimmten Anregung ist, hängt von den Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten ab – in diesem Experiment also vom Druck, der auf die Probe ausgeübt wird.

Die Forschenden haben in ihrem Experiment gezeigt, dass bei starkem Druck manche Anregungen so hohe Energien brauchen, dass sie praktisch gar nicht vorkommen. Senkt man den Druck und nähert sich dem Wert, bei dem es zum Quantenphasenübergang kommt, so nimmt die Energie ab, die für die Anregungen nötig ist, und immer mehr verschiedene Anregungen können beobachtet werden. Darunter sind auch solche, die mathematisch wie das Higgs-Boson der Elementarteilchenphysik zu beschreiben sind, sodass man von Higgs-Teilchen im Festkörper sprechen kann.

PSI / PH

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