Dreidimensionale Spin-Flüssigkeit entdeckt

Quanten­phänomene wie zum Beispiel Wechsel­wirkungen zwischen winzigen magne­tischen Spins im Material könnten zu neuartigen IT-Elementen führen. Solche Quanten-Spin-Flüssigkeits­materialien unterscheiden sich deutlich von herkömm­lichen magnetischen Materialien, da Quanten­fluktuationen die magnetischen Wechsel­wirkungen dominieren: Aufgrund geometrischer Zwänge im Kristallgitter können Spins nicht alle zusammen in einem Grundzustand quasi einfrieren - sie sind gezwungen zu fluk­tuieren, selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Quanten-Spin-Flüssig­keiten sind selten und wurden bisher vorwiegend in zwei­dimensionalen magnetischen Systemen gefunden. Drei­dimensionale isotrope Spinflüssigkeiten werden meist in Materialien gesucht, bei denen die magne­tischen Ionen Pyrochlor- oder Hyper­kagome-Gitter bilden. Ein inter­nationales Team unter der Leitung von Bella Lake vom Helmholtz Zentrum Berlin erforschte nun Proben von PbCuTe₂O₆. Sie besitzen ein drei­dimensionales Gitter, das als Hyper-Hyper­kagome-Gitter bezeichnet wird.

Ihr Kollege Johannes Reuther berechnete mit theo­retischen Modellen das Verhalten eines solchen drei­dimensionalen Hyper-Hyper­kagome-Gitters mit vier magnetischen Wechse­lwirkungen. Diese Betrachtungen zeigten, dass das System Quanten-Spin-Flüssigkeits­verhalten mit einem spezifischen magne­tischen Energie­spektrum aufweist.

Mit Neutronen­experimenten konnte das Team die sehr subtilen Signale dieses vorher­gesagten Verhaltens nachweisen. „Wir waren überrascht, wie gut unsere Daten zu den Berechnungen passen. Das gibt uns die Hoffnung, dass wir wirklich verstehen können, was in diesen Systemen geschieht", sagt HZB-Forscherin Shravani Chillal.

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Chillal et al.: Evidence for a three-dimensional quantum spin liquid in PbCuTe₂O_6, Nat. Commun. 11, 2348 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15594-1
• Quantenphänomene in neuen Materialien (B. Lake), Helmholtz Zentrum Berlin