Spin-Glas oder Quanten-Spin-Flüssigkeit?

YbZnGaO4-Kristalls Probe eines YbZnGaO₄-Kristalls im ³He-Kryostat-Probenhalter des PANDA-Instruments. Rechts: schematische Darstellung von Philip W. Anderson’s Modell einer zweidimensionalen, dreieckigen Gitterstruktur mit Atomen (Kugeln) und Spins (Pfeile). Fragezeichen stehen für ungeklärte Spinausrichtungen.

Probe eines YbZnGaO₄-Kristalls im ³He-Kryostat-Probenhalter des PANDA-Instruments. Rechts: schematische Darstellung von Philip W. Anderson’s Modell einer zweidimensionalen, dreieckigen Gitterstruktur mit Atomen (Kugeln) und Spins (Pfeile). Fragezeichen stehen für ungeklärte Spinausrichtungen.

Als Quanten-Spin-Flüssigkeit bezeichnet man einen neuartigen Materiezustand, bei dem sich Spins nicht in dem geordneten Muster anordnen, wie es von konventionellen Magneten bekannt ist. Typisch sind hingegen langreichweitige Quantenverschränkungen und fraktale Anregungen. Das macht Quanten-Spin-Flüssigkeiten interessant für Anwendungen in der Quantenkommunikation und in Quantencomputern.

In den vergangenen zwei Jahren mehrten sich die Anzeichen, dass die Verbindung YbMgGaO₄ mit einer Deiecks-Gitterstruktur die von Anderson vorgeschlagene Quanten-Spin-Flüssigkeit sein könnte. Um diese Vermutung zu verifizieren, untersuchten die Forscher sowohl YbMgGaO₄ als auch die verwandte Verbindung YbZnGaO₄ mit Neutronenstreuung und weiteren Methoden. Die Messergebnisse waren für beide Verbindungen ähnlich und manche ähnelten denen von Quanten-Spin-Flüssigkeiten.

Zum Beispiel beobachteten die Wissenschaftler das quasi-kontinuierliche Anregungsspektrum, das als zwingender Beweis für eine Quanten-Spin-Flüssigkeit gilt. Als Methode nutzten sie dabei inelastische Neutronenstreuung, vorwiegend am Kalten-Dreiachsenspektrometer PANDA, welches das Jülich Centre for Neutron Science am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum betreibt. Tatsächlich handelt es sich bei den untersuchten Proben jedoch um Spin-Glas, wie die Kombination von Messungen der Suszeptibilität, spezifischer Wärme und thermischer Leitfähigkeit bei Temperaturen um 0,05 Kelvin, nahe am absoluten Nullpunkt, und theoretischen Berechnungen ergab. Ein Spin-Glas kann also den Anschein einer Quanten-Spin-Flüssigkeit erwecken, beruht allerdings auf der Unordnung von Atomen, während für eine Quanten-Spin-Flüssigkeit Quantenfluktuationen nötig sind.

Text: Angela Wenzik / JCNS