Die Quantenspinflüssigkeit, die doch keine ist

Zwei Jahrzehnte lang glaubten Wissenschaftler, in einem synthetisch hergestellten Material eine Quanten­spin­flüssig­keit gefunden zu haben. Diese würde – so die Annahme – auch auf makro­sko­pischer Ebene nicht den Gesetzen der klassischen Physik folgen, sondern denen der Quantenwelt. Die Hoffnung in diese Materialien ist groß: Sie würden sich für Anwendungen in quanten­verschränkter Informations­über­tragung oder auch Quanten­computern eignen. Jetzt zeigten Forscher der TU Wien und der Toho Universität in Japan jedoch, dass es sich bei dem vielver­sprechenden Material nicht um die vorher­gesagte Quanten­spin­flüssig­keit handelt, sondern um ein Material, das sich mit bekannten Konzepten beschreiben lässt.

Die Forscher haben den rätsel­haften Quanten­zustand untersucht, indem sie den elektrischen Widerstand in dem Material κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ temperatur- und druckabhängig gemessen haben. Um heraus­zu­finden, wie sich die vermeintliche Quanten­spin­flüssig­keit – also eine Flüssigkeit, in der die Spins der Elektronen frei rotieren können – unter Druck verhält, führte das Forschungs­team systematische Widerstands­messungen durch.

„Das Besondere ist, dass der Verlauf der Phasengrenze tiefe Einblicke in die Physik magnetischen Quanten­fluktua­tionen gibt, was man eigentlich mit elektrischem Widerstand per se gar nicht messen kann“, sagt Andrej Pustogow von der TU Wien. Möglich wurde das erst durch eine weltweit einzig­artige Methode, mit der die japanischen Partner das Material untersucht haben. „Wir machen also das Unmögliche möglich und folgen den Entropie-Fußabdrücken der magnetischen Momente und gewinnen damit neue Einblicke in eine vermeintliche Quanten­spin­flüssig­keit.“

Außerdem stellten die Forscher fest, dass das Phasen­diagramm von κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ stark an das von Helium-3 erinnert. Ein sowjetischer Forscher sagte bereits in den 1950er Jahren vorher, dass sich Helium-3 anders als herkömmliche Materialien verhält und bei Temperaturen unter 0,3 Kelvin nicht von flüssig zu fest, sondern von fest zu flüssig wird. Genau derselbe Effekt tritt auch bei Elektronen in Festkörpern auf, wenn sie mit zunehmender Temperatur von einem metallischen Zustand zu einem Mott-Isolator einfrieren, in dem die Elektronen fest am Atom gebunden sind und sich nicht bewegen.

Diesen Pomerantschuk-Effekt fand das Forschungsteam auch in κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃: Das Material zeigt bei höheren Temperaturen zunächst isolierendes Verhalten mit starren Elektronen, die beim Abkühlen zu einer Flüssigkeit aufschmelzen. Unterhalb von sechs Kelvin frieren die Elektronen erneut fest und verlieren nun auch ihre magnetischen Momente.  

„Obwohl es sich bei κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ selbst um keine Quanten­spin­flüssig­keit handelt, liefert unsere Forschung wichtige Anhaltspunkte für die weitere Erforschung dieser Materialien. Unsere Experimente helfen zum Beispiel dabei, den Effekt der magneto­elastischen Kopplung besser zu verstehen. Gelingt es uns diese zu kontrol­lieren, können wir möglicher­weise auch eine Quanten­spin­flüssig­keiten realisieren,“ resümiert Pustogow.

TU Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Pustogow et al.: Chasing the spin gap through the phase diagram of a frustrated Mott insulator, Nat. Commun. 14, 1960 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-37491-z
• AG Pustogow, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Wien, Österreich