Überblick

Topologische Spinflüssigkeiten

Frustration magnetischer Momente durch widerstreitende Kopplungen kann zu Spinflüssigkeiten mit topologischer Ordnung führen.

  • Kai Phillip Schmidt und Simon Trebst
  • 04 / 2015 Seite: 39

Frustration kann physikalisch gesehen durchaus positiv wirken und komplexe, reichhaltige Phänomene hervorrufen. Dazu gehört beispielsweise die topologische Ordnung in Quantenmagneten, die nicht nur aus der Sicht der Festkörperphysik, sondern auch der Quanteninformation oder Mathematik besonders interessant ist. Inzwischen ist auch die experimentelle Realisierung solcher topologisch geordneter Systeme in Reichweite gerückt.

Frustration ist ein alltägliches Phänomen, und sie ist natürlich auch Physikern nicht fremd. Sie wissen aber Frustration durchaus zu schätzen, etwa wenn sich diese bei einem System einstellt, auf das gleichzeitig widerstrebende Kräfte wirken und es nicht allen gleichermaßen folgen kann. Denn das kann interessante Konsequenzen haben. Ein Beispiel aus dem Bereich der Festkörperphysik sind „frustrierte“ Quanten­magnete, in denen die elementaren magnetischen Momente − meist Spins genannt − miteinander über verschiedene Austauschwechselwirkungen koppeln, die jedoch nicht alle gleichzeitig minimiert werden können.

Die geometrische Frustration tritt immer dann auf, wenn die von einem Antiferromagneten favorisierte antiparallele Anordnung benachbarter Spins (Néel-Ordnung) nicht kommensurabel ist mit den elementaren Bausteinen eines Gitters. Besonders klar wird dies bei Spins auf einem isolierten Dreieck: Da es nie möglich ist, alle drei Spins antiferromagnetisch anzuordnen, bleibt ein Spin immer „frustriert“. Geo­metrisch frustrierte Gitter sind deswegen häufig aus Dreiecken aufgebaut, wobei sich benachbarte Dreiecke eine Ecke teilen (Abb. 1a). Wichtige Beispiele sind das dreidimensionale Pyrochlor-Gitter oder das zwei­dimensionale Kagomé-Gitter...

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