Quanteneffekte machen den Unterschied

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat einen neuartigen Phasenübergang am absoluten Nullpunkt beobachtet.

Die atomaren Bestandteile von Materie sind niemals ohne Bewegung, selbst am absoluten Nullpunkt bei –273,15 Grad Celsius. Diese Folge der Quantenmechanik kann zu kontinuierlichen Übergängen zwischen verschiedenen Materiezuständen führen. Physiker am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe studierten dieses Phänomen exemplarisch in einer Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium bei sehr tiefen Temperaturen in Abhängigkeit eines angelegten Magnetfelds. Bisher wurde angenommen, dass die Eigenschaften eines solchen Übergangs vollständig durch Fluktuationen eines, in diesem Fall des magnetischen Ordnungsparameters beschreibbar sind. Die jetzt veröffentlichten Experimente zeigten jedoch völlig unerwartet eine zusätzliche Änderung der elektronischen Eigenschaften am Übergang. Dies bestätigt erneut, dass Quanteneffekte zu neuen, in der klassischen Physik undenkbaren Phänomenen führen können. Die Ergebnisse erweitern einerseits das allgemeine Verständnis von Phasenübergängen und sind anderseits für komplexe Systeme, wie etwa Hochtemperatur-Supraleiter relevant.

Das bessere Verständnis komplizierter Wechselwirkungen in Metallen ist nach wie vor eine der zentralen Herausforderungen der modernen Physik. So ist der Mechanismus, der zur Bildung von Hochtemperatursupraleitung führt, auch mehr als 20 Jahre nach deren Entdeckung unverstanden. Das weltweite Interesse konzentriert sich in den letzten Jahren auf die Untersuchung von Quantenphasenübergängen – Phasenübergänge, welche durch die Gesetze der Quantenmechanik diktiert werden und an denen neuartiges komplexes Verhalten unter kontrollierbaren Bedingungen untersucht werden kann.

Im Gegensatz zur klassischen Physik zeigt die Quantenphysik erstaunliche und neuartige faszinierende Phänomene. So bleiben atomare Teilchen auch am absoluten Nullpunkt stets in Bewegung – eine Folge der Heisenberg’schen Unschärferelation. Diese Quantenfluktuationen können zu Transformationen zwischen verschiedenen Materiezuständen führen. Treten solche Phasenübergänge am absoluten Nullpunkt kontinuierlich auf, so spricht man von Quantenkritischen Punkten, deren Untersuchung in den letzten Jahren viele überraschende neue Erkenntnisse geliefert hat.

Die Dresdner Physiker untersuchten die metallische Verbindung YbRh ₂Si ₂, die bei sehr tiefen Temperaturen von 0,07 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt in einer speziellen Weise magnetisch ordnet. Wird die Ordnung bei extrem tiefen Temperaturen durch ein kleines von außen angelegtes Magnetfeld unterdrückt, so können die Auswirkungen des Quantenkritischen Punkts untersucht werden.

Die Verbindung YbRh ₂Si ₂ wurde von der Dresdner Gruppe um Frank Steglich synthetisiert und in den letzten Jahren derart intensiv und erfolgreich untersucht, dass sie mittlerweile in Forscherkreisen als Modellsubstanz angesehen wird. Vor drei Jahren hat die Gruppe mit der Beobachtung des Aufbrechens der Ladungsträger in magnetische und stromtragende Komponenten für Aufsehen gesorgt. Nachfolgende Untersuchungen des Halleffekts zeigten eine weitere Eigenschaft des Quantenkritischen Punkts: eine dramatische Änderung des Hall-Widerstands deutet auf starke Fluktuationen des Fermivolumens, d. h. der Ladungsträgerdichte.

Die jetzigen Messungen der Magnetisierung und Längenänderung bei Anlegen eines Magnetfelds an YbRh ₂Si ₂ liefern den Forschern den Beweis für einen fundamentalen Unterschied von Quantenphasenübergängen gegenüber klassischen Phasenübergängen, wie beispielsweise dem Verdampfen am Siedepunkt von Wasser. Während bei letzteren die Physik vollständig durch die Fluktuationen eines Ordnungsparameters, hier der Moleküldichte, beschrieben werden kann, tritt am Quantenkritischen Punkt in YbRh ₂Si ₂ eine zusätzliche Änderung der Eigenschaften auf. „Unsere Messungen“, so Philipp Gegenwart, bis vor kurzem Leiter der Kompetenzgruppe Tiefe Temperaturen am Dresdener Max-Planck-Institut und nun Professor am I. Physikalischen Institut der Universität Göttingen, „beweisen das Auftreten einer weiteren Energieskala am Quantenkritischen Punkt, welche nicht mit den Fluktuationen des magnetischen Ordnungsparameters erklärt werden kann.“ Die Analyse zeigt, dass die zusätzliche Energieskala auf eine Änderung der elektronischen Eigenschaften, genauer eine Änderung des Fermi Volumens, zurückgeführt werden kann. Bei klassischen Phasenübergängen treten solche Effekte nicht auf – beispielsweise ändert Wasser beim Verdampfen nicht auch noch seine Farbe.

Die Ergebnisse zeigen, dass in der Quantenwelt immer wieder unerwartetes Verhalten auftritt, welches mit gängigen theoretischen Modellen unvereinbar ist. Dies motiviert Theoretiker wie die beteiligten amerikanischen Forscher Qimiao Si von der Rice University und Elihu Abrahams von der Rutgers University nach neuen Ansätzen für ein besseres Verständnis von Quantensystemen zu suchen. Neue theoretische Modelle sind notwendig, um das komplizierte Verhalten moderner komplexer Systeme, wie etwa der Hochtemperatursupraleiter besser verstehen zu können.

Quelle: MPG/[LS / PG]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P. Gegenwart, T. Westerkamp, C. Krellner, Y. Tokiwa, S. Paschen, C. Geibel, F. Steglich, E. Abrahams, Q. Si, Multiple Energy Scales at a Quantum Critical Point, Science 315, 969 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1136020
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0604571 (Preprint)
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Universität Göttingen, I. Physikalisches Institut:
  http://www.ph1.physik.uni-goettingen.de
• Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Dresden:
  http://www.cpfs.mpg.de