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Quantenspinflüssigkeit

22.03.2018

1987 schlug Paul W. Anderson, Nobelpreisträger für Physik, vor, dass das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung mit einem exotischen Quantenzustand der Materie zusammenhängen könnte, der als Quanten-Spin-Flüssigkeit bekannt ist. In diesem Zustand verhalten sich die magnetischen Momente von Materieteilchen wie eine Flüssigkeit, jedoch "friert" eine solche Flüssigkeit auch bei absoluter Nulltemperatur nicht ein. Solche exotischen Materiezustände gelten als vielversprechende Kandidaten für ihren Einsatz in Quantencomputersystemen, jedoch war es Wissenschaftlern bis vor kurzem nicht möglich, eine Spin-Flüssigkeit zu erhalten, die für den Einsatz in verschiedenen Quantentechnologien geeignet wäre.

Und erst kürzlich ist es Forschern der Aalto-Universität, Finnland, des Brasilianischen Zentrums für Physikforschung (CBPF), der Technischen Universität Braunschweig und der Universität Nagoya erstmals gelungen, eine supraleitende Quanten-Spin-Flüssigkeit herzustellen, die Eigenschaften von die den Eigenschaften des von Paul Anderson vorhergesagten theoretischen Fluids so nahe wie möglich kommen. Und die Herstellung einer Quanten-Spin-Flüssigkeit wurde dank der an der Aalto-Universität entwickelten Technologie zur Steuerung der Eigenschaften einiger magnetischer Materialien möglich.

Die meisten existierenden Hochtemperatur-Supraleiter basieren auf Kupferoxid, in dem Kupferionen ein quadratisches Kristallgitter bilden und die magnetischen Momente benachbarter Ionen in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Wenn diese schlanke Kristallstruktur durch Änderung des Oxidationszustands von Kupfer aufgebrochen wird, wird das Material zu einem Supraleiter. Der Ersatz gewöhnlicher Kupferionen durch Ionen mit einer elektronischen Struktur von d10 und d0 verwandelte jedoch die gesamte kristalline Struktur in eine Quanten-Spin-Flüssigkeit.

„In Zukunft könnte die d10/d0-Ionenaustauschmethode auf viele andere Arten von magnetischen Materialien angewendet werden, wodurch wir eine Reihe neuer Materialien mit einzigartigen Quanteneigenschaften schaffen könnten“, sagt Otto Mustonen, Forscher an der Aalto-Universität.

Um die Entstehung einer Quanten-Spin-Flüssigkeit zu registrieren und ihre Eigenschaften zu bestimmen, nutzten die Wissenschaftler die Technologie der Spin-Spektroskopie. Diese Technologie basiert auf der Wechselwirkung von elektronenähnlichen Elementarteilchen wie Myonen mit dem zu untersuchenden Material. Eine solche Methode ist in der Lage, selbst die schwächsten Magnetfelder zu bestimmen, die in einem Quantenmaterial vorhanden sind.

„Neben ausgeklügelter und hochwertiger Ausrüstung erfordert diese Art der Forschung die Zusammenarbeit von Physikern, Chemikern und Wissenschaftlern aus anderen Bereichen“, sagt Professor Maarit Karppinen, „aber mit den gemeinsamen Anstrengungen eines solchen multidisziplinären Teams werden wir in der Lage sein die Eigenschaften von Quanten-Spinflüssigkeiten zu studieren und der praktischen Schaffung des sogenannten topologischen Quantencomputers nahe zu kommen".

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