Ein Metall mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Ein Forscherteam aus China und Deutschland hat bei einem Metall Eigenschaften nachgewiesen, die sich mit gängigen physikalischen Theorien nicht erklären lassen. Die Ergebnisse wurden an einer speziellen metallischen Verbindung mit ungewöhnlichen magnetischen Charakteristika erzielt. Bei sehr tiefen Temperaturen und bei starken Drücken und Magnetfeldern beobachteten die Forscher bei dem Metall ein neuartiges kritisches Verhalten.

Der sowjetische Physiker Lew Landau entwickelte in den 1950 Jahren eine Theorie über die Wechselwirkung zwischen Leitungs­elektronen in einem Metall. Seine Grundidee bestand darin, die Wechsel­wirkung eines Leitungs­elektrons mit seiner Umgebung dadurch zu beschreiben, dass man das Elektron um diese Wechsel­wirkung erweitert. Das so erweiterte Teilchen nannte er „Quasielektron“.

Seit einigen Jahren sorgen Materialien für Aufsehen, deren Eigen­schaften komplexer sind und sich nicht durch Landaus Quasiteilchen-Modell beschreiben lassen. Hierzu zählen auch die für potenzielle Anwendungen interessanten Hochtemperatur-Supraleiter. Das Quasiteilchen-Bild bricht zusammen, wenn sich der Grundzustand eines Metalls – seine Phase – bei einer äußeren Störung ändert, etwa durch Anlegen von Druck oder eines Magnetfelds. Diese Änderung kann zum Beispiel darin bestehen, dass die magnetischen Momente im Metall bis zu tiefsten Temperaturen in völlig unterschiedliche Richtungen weisen. Die Folge ist ein exotischer Metallzustand, der quanten­kritische Punkt, der nur unter streng definierten Bedingungen im Phasen­diagramm des Metalls auftritt. Quanten­kritische Punkte werden mit ungewöhnlichen Phasen wie etwa der Hochtemperatur-Supraleitung in Verbindung gebracht.

Das Team hat jetzt erstmals durch Messungen nachgewiesen, wie nicht nur ein einzelner Punkt, sondern ein ganzer Bereich im Phasen­diagramm quanten­kritisches Verhalten zeigen kann. Dazu haben die Forscher die metallische Verbindung CePdAl aus den Elementen Cer, Palladium und Aluminium untersucht. Eine Gruppe der Uni Augsburg um Philipp Gegenwart hat dabei die Wärme­kapazität von geschickt mit Fremdatomen dotierten Proben bei tiefen Temperaturen untersucht. Und Forscher um Peijie Sun von der chinesischen Akademie der Wissenschaften haben gemessen, wie sich der elektrische Widerstand von CePdAl unter Druck und im Magnetfeld verändert.

Durch Kombination der Messdaten gelang der Nachweis, dass in CePdAl ein verbreiterter kritischer Bereich an Stelle eines singulären kritischen Punkts vorliegt. Die Forscher vermuten, dass dies mit der besonderen Anordnung magnetischer Momente in CePdAl zusammenhängt. Die Cer-Atome, welche den Magnetismus verursachen, sind nämlich in einer Art Dreiecks-Muster angeordnet. Konsequenz dieses Musters ist ein besonderes Phänomen, die magnetische Frustration.

Die Cer-Elektronen verhalten sich wie kleine Magneten und versuchen, bei tiefen Temperaturen ihre Magnetpole zu den nächsten Nachbarn ausrichten. In der Verbindung CePdAl ist allerdings die übliche anti­parallele Ausrichtung aufgrund einer Dreiecks­anordnung unmöglich. Nur zwei Magnete im Dreieck können sich zueinander anti­parallel einstellen, der dritte kann nicht gleichzeitig anti­parallel zu beiden anderen stehen. „Wir vermuten, dass dieser Frustrations-Effekt den quanten­kritischen Bereich stabilisiert“, sagt Gegenwart. Die Ergebnisse der Untersuchung sind nach Ansicht der Forscher auch für ein besseres Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung und anderer Phänomene mit Anwendungs­potenzial relevant. So könnte magnetische Frustration den Schlüssel zum Verständnis kritischer metallischer Zustände bilden, die auch bereits früher in anderen Materialien beobachtet wurden.

U. Augsburg / RK

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• Originalveröffentlichung
  H. Zhao et al.: Quantum-critical phase from frustrated magnetism in a strongly correlated metal, Nat. Physics 15, 1261 (2019); DOI: 10.1038/s41567-019-0666-6
• Zentrum für elektronische Korrelationen und Magnetismus, Institut für Physik, Universität Augsburg
• Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China