Exotischer Quantenzustand beobachtet

Atome, Moleküle oder Festkörper, die durch Anziehungs­kräfte zwischen ihren Bestandteilen gebildet werden, sind in der Natur allgegenwärtig. Im Gegensatz zu diesen bekannten stabilen Verbund­objekten galten solche, die durch abstoßende Kräfte stabilisiert werden, aufgrund ihrer Insta­bilität in natürlich vorkommenden Systemen lange Zeit als theoretische Konstrukte. Insbesondere in Festkörper­verbindungen hielt man die Beobachtung abstoßend gebundener Teilchen für unmöglich. Kürzlich ist es einem inter­nationalen Forscherteam um Zhe Wang von der TU Dortmund gelungen, repulsiv gebundene Magnonen – ein exotischer Quanten-Viel­teilchen-Zustand – experimentell zu beobachten.

Die Beobachtung erfolgte in der speziellen Spin-Ketten Verbindung BaCo₂V₂O₈; als Spins bezeichnet man einen intrin­sischen magnetischen Freiheitsgrad der Elektronen in einem Atom. In BaCo₂V₂O₈ nutzte das Team Terahertz-Licht­wellen, um die Spins anzuregen und ihre Dynamik in starken äußeren Magnetfeldern mit bis zu sechzigTesla zu untersuchen. Dabei identifi­zierten die Forscher einerseits die bereits bekannten Magnonen, also nieder­energetische magnetische elementare Quasiteilchen-Anregungen. Andererseits entdecken sie aber auch die besonderen repulsiv gebundenen Zwei-Magnon- und Drei-Magnon-Zustände als hochenerge­tische zusammen­gesetzte Anregungen. 

Die Verbindung BaCo₂V₂O₈ ist eine Festkörper-Realisierung des Heisenberg-Ising-Modells, das seit über hundert Jahren für das Verständnis vieler physikalischer Phänomene von Bedeutung ist. Das Modell hat bereits verschiedene Zweige der Physik beeinflusst – von der kondensierten Materie über kalte Atome bis hin zur Quanten­information. „Die Beobachtung der repulsiv gebundenen Magnonen war für uns überraschend“, sagt Zhe Wang. „Unsere Studie liefert ein erstes Verständnis dieser komplexen Quanten-Viel­teilchen-Zustände in einem repräsentativen Festkörpersystem. Wie sich diese exotischen Zustände in anderen, noch komplexeren Quantensystemen manifestieren und auch ihre möglichen Anwendungen in der Quanten­information sind sehr spannende und heraus­fordernde Aufgaben für künftige Forschungen.“

TU Dortmund / JOL