Erstmals Bethe-Strings im Experiment nachgewiesen

Die regelmäßige Anordnung der Atome in einem Kristall ermöglicht komplexe Wechsel­wirkungen, die zu neuen Materie­zuständen führen können. So gibt es Kristalle, die zwar räumlich drei­dimen­sional sind, aber nur entlang einer Richtung magnetische Wechsel­wirkungen aufweisen, so dass sie magnetisch ein­dimen­sional sind. Zeigen aufein­ander­folgende magnetische Momente in entgegen­gesetzte Richtungen, dann liegt ein ein­dimen­sionaler Anti­ferromagnet vor. Hans Bethe beschrieb dieses System erstmals 1931 theoretisch. Dabei folgerte er aus seiner Model­lierung auch, dass es möglich sein müsse, durch Energie­zufuhr Ketten von zwei oder mehr magnetischen Momenten zu erzeugen, die in eine Richtung zeigen. Solche Ketten heißen entsprechend Bethe-Strings.

Bethe-Strings lassen sich unter normalen Bedingungen nicht beobachten, sie sind instabil und werden durch andere Merkmale des Systems verdeckt. Jetzt gelang es einer inter­natio­nalen Kooperation um Bella Lake vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, durch Anlegen eines starken äußeren Magnet­felds Bethe-Strings zu isolieren und experi­mentell sichtbar zu machen.

Zunächst stellte ein Forscher aus dem Team Kristalle aus SrCo₂V₂O₈ her, einem ein­dimen­sionalen Anti­ferro­magnetikum, das als Modell­system dient. Nur die Kobaltatome haben magnetische Momente, sie richten sich alle entlang einer Kristall­achse aus, wobei sich benach­barte Momente gegenseitig aufheben. An der Neutronen­quelle BER II des HZB konnte die Probe mit Neutronen unter extrem hohen Magnet­feldern bis zu 25,9 Tesla unter­sucht werden. Aus den Daten erhielten die Physiker ein Phasen­diagramm der Probe als Funktion des Magnet­felds sowie weitere Informa­tionen über die inneren magnetischen Muster. Diese konnten sie mit den Voraus­sagen von Bethe, die von einer theore­tischen Gruppe unter der Leitung von Jianda Wu quanti­fiziert wurden, vergleichen.

„Die experimentellen Daten sind in hervor­ragender Über­ein­stimmung mit der Theorie“, sagt Lake. „Wir konnten zwei und sogar drei Ketten von Bethe-Strings eindeutig identi­fizieren und ihre Energie­abhängig­keit bestimmen. Diese Ergebnisse zeigen uns einmal mehr, wie gut Quanten­physik experi­mentelle Ergebnisse erklären kann.“

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. K. Bera et al.: Dispersions of Many-Body Bethe Strings, Nat. Physics, online 6. April 2020; DOI: 10.1038/s41567-020-0835-7
• Institut Quantenphänomene in neuen Materialien (B. Lake), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie