Material für die Massenverschränkung

Ob Magnete oder Supraleiter: Viele Materialien sind für ihre besonderen Eigenschaften bekannt. Doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern. Ein Forschungs­team der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen vollkommen neuen Typ solcher Phasen­übergänge entdeckt. Dort tritt das Phänomen der Quanten­verschränkung von vielen Atomen auf – bisher wurde das nur im Bereich weniger Atome beobachtet.

Forscher aus Dresden und München haben die Phänomene der Verschränkung und Überlagerung jetzt auf sehr viel größeren Skalen gefunden als nur im Bereich der kleinsten Teilchen. Bisher war bekannt, dass es in Materialien wie etwa Magneten Domänen gibt, also Inseln, in denen die Material­eigenschaften jeweils gleich sind (sinnbildlich schwarz oder weiß). Die Physiker haben in Lithium-Holmium-Fluorid (LiHoF₄) nun einen vollkommen neuen Phasenübergang entdeckt, bei dem sich die Domänen überraschender­weise quantenphysikalisch verhalten, mit verschränkten Eigenschaften (also zugleich schwarz und weiß). „Unsere Quanten­katze hat ein neues Fell bekommen, weil wir in LiHoF₄ einen Quanten­phasen­übergang entdeckt haben, den die Wissenschaft vorher nicht kannte“, kommentiert Matthias Vojta, Professor für theoretische Festkörper­physik an der TUD.

Finden Phasenübergänge bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt statt, werden Effekte der Quantenmechanik wichtig, und man spricht von Quanten­phasen­übergängen. „Obwohl man solche Phasenübergänge in Quantenmaterialien seit über dreißig Jahren intensiv untersucht, dachte man bisher, dass das Phänomen der Verschränkung nur im mikroskopischen Bereich weniger Atome relevant ist“, erläutert Christian Pfleiderer, Professor für Experimentalphysik zur Topologie korrelierter Systeme an der TUM.

Normalerweise gelten die Gesetze der Quantenphysik nur für den Bereich der kleinsten Teilchen. Das Forschungsteam aus München und Dresden hat Effekte der Teilchen­verschränkung nun auf einer sehr viel größeren Skala gefunden – im Bereich mehrerer tausend Atome. Dafür haben sie ganz bewusst ein Material untersucht, das schon lange bekannt ist.

LiHoF₄ ist bei sehr tiefen Temperaturen ein Ferromagnet, in dem alle magnetischen Momente spontan entlang derselben Richtung zeigen. Wird nun ein Magnetfeld genau senkrecht zur magnetischen Vorzugs­richtung angelegt, kommt es zu Richtungswechseln der Momente – man spricht von Fluktuationen. Mit zunehmender Feldstärke werden diese Fluktuationen immer stärker, bis der Ferromagnetismus schließlich an einem Quanten­phasen­übergang komplett verschwindet. Dabei werden benachbarte Momente miteinander verschränkt. „Wenn man also eine LiHoF₄-Materialprobe an einen superstarken Magneten hält, ist sie plötzlich nicht mehr spontan magnetisch. Das ist schon seit 25 Jahren bekannt“, vereinfacht Vojta.

Neu ist nun, was passiert, wenn man die Richtung des Magnetfelds ändert. „Wir haben entdeckt, dass es immer noch einen Quanten­phasen­übergang gibt, obwohl man immer dachte, dass selbst eine superkleine Verdrehung des Magnetfelds den Übergang sofort unterdrückt“ erklärt Pfleiderer. Allerdings sind es hier nicht mehr einzelne Momente, sondern ausgedehnte magnetische Bereiche, die den Quanten­phasen­übergang ausmachen, fanden die Wissenschaftler heraus: ferro­magnetische Domänen – ganze Inseln von gleich ausgerichteten magnetischen Momenten. Andreas Wendl, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat, ergänzt: „Für unsere Präzisions­messungen haben wir Proben in Kugelform verwendet – nur so konnten wir das Verhalten bei kleiner Verdrehung des Magnetfelds genau studieren.“

„Wir haben eine ganz neue Art von Quanten­phasen­übergängen gefunden, wo Verschränkung im Bereich von vielen tausend Atomen anstatt im Mikrokosmos von nur wenigen Atomen auftritt“, erklärt Vojta. „Stellt man sich die magnetischen Domänen als ein schwarz-weißes Muster vor, dann werden an diesem neuen Phasenübergang entweder die schwarzen oder die weißen Bereiche unendlich klein – bilden also ein Quantenmuster –, bevor sie sich auflösen.“ Die experimentellen Daten können mit einem neu entwickelten theoretischen Modell sehr gut erklärt werden. „Für unsere Berechnungen haben wir bekannte mikroskopische Modelle verallgemeinert und dann auch die Rückkopplung der großen ferro­magnetischen Domänen auf die mikroskopischen Eigenschaften berechnet“, erläutert Heike Eisenlohr, die die Berechnungen als Teil ihrer Doktorarbeit durchgeführt hat.

Wichtig sind die Entdeckung und Modellierung der neuen Phasenübergänge unter anderem als Grundlage und allgemeine Referenz für die Untersuchung von Quanten­phänomenen in Materialien. Aber auch für neue Anwendungen: „Verschränkung soll beispielsweise in Quanten­sensoren und Quantencomputern kontrolliert und genutzt werden“ sagt Vojta. Pfleiderer ergänzt: „Bei unserer Arbeit handelt es sich um Grundlagenforschung, die aber auch schnell unmittelbare Bedeutung für die Anwendung haben kann, wenn man die neu entdeckten Material­eigenschaften gezielt nutzt“.

TU Dresden / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Wendl et al.: Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet, Nature 609, 65 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04995-5
• Theoretische Festkörperphysik (M. Vojta), Technische Universität Dresden

Weitere Beiträge

• M. Vojta, Quantenkritikalität kritisch überprüft, Physik Journal, November 2014, S. 23 PDF
• Ch. Pfleiderer, Magnetische Wirbel im Festkörper, Physik Journal, August/September 2016, S. 47 PDF
• Ch. Pfleiderer, Magnetismus mit Drehsinn, Physik Journal, November 2010, S.25 PDF
• M. Vojta, Quantenphasenübergänge - 'Schmelzen' am Temperaturnullpunkt, Physik Journal. März 2002, S. 55 PDF