Der frustrierte Dritte im Magneten

Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler und Kristallographen unter der Leitung von Frau Prof. Dr. Nataljia van Well von der LMU haben die Verbindung Cäsium-Kupferchlorid mit variablen Mengen x an Bromid Ionen (Cs₂CuCl_4-xBr_x) hergestellt und am MLZ mittels Neutronenstreuung untersucht. Diese Verbindung hat eine interessante Eigenschaft: Nahe am absoluten Nullpunkt tritt das Phänomen geometrischer Frustration auf. Erforscht haben die Wissenschaftler, bei welcher Temperatur, Magnetfeldstärke und chemischer Zusammensetzung der Phasenübergang zur Frustration stattfindet.

Doch wann spricht der Physiker von Frustration?

Jedes physikalische System strebt immer den stabilsten, also den energieärmsten, Zustand an. Im Alltag gibt es unzählige Beispiele dafür: z.B. fallen nicht stabil stehende Gegenstände um, heiße Gegenstände kühlen auf Umgebungstemperatur ab.

Die räumliche chemische Struktur der hergestellten Verbindung entspricht der eines Tetraeders, also einer Pyramide mit dreieckiger Grundfläche auf deren Ecken die Atome sitzen. Betrachten wir nur eine Seite dieses Tetraeders, haben wir es mit einem Dreieck zu tun. Die Eigendrehimpulse (Spins) der Cu Atome, welche sich wie kleine Magnete verhalten, sind variabel, wobei auch sie das Energieminimum anstreben. Dieses ist erreicht, wenn alle Spins im Magnetfeld gegensätzlich ausgerichtet sind. Und genau da liegt das Problem: Wenn in einem Dreieck zwei Spins gegeneinander ausgerichtet sind, ist der dritte frustriert. Denn egal wie er sich auch dreht und wendet, erreicht er nie ein Energieminimum der magnetischen Feldenergie. Daher lassen sich im magnetischen Phasendiagramm verschiedene magnetische Phasen beobachten. Interessant ist dabei der Übergang von einer Spinorientierung, also einer magnetischen Phase in eine andere. Dieser gibt dann Auskunft über die fundamentale quantenmechanische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Spins und ermöglicht somit ein fundamentales Verständnis des Materials.

Wie untersucht man frustrierte Magnete und warum eignen sich Neutronen besonders gut?

Dr. Robert Georgii und Dr. Markos Skoulatos, beide Instrumentwissenschaftler am MLZ-Instrument MIRA, kühlten die Substanz Cs₂CuCl_4-xBr_x auf 0,05 Grad über dem absoluten Nullpunkt und legten ein Magnetfeld an. Da Neutronen ein magnetisches Moment (Spin) haben, werden sie an magnetischen Strukturen gestreut, genau wie sich zwei Stabmagnete gegenseitig beeinflussen. Aus den Daten ermittelten die Wissenschaftlerinnen und wissenschaftler auf atomarer Ebene die Spinrichtungen der Cu-Atome in Cs₂CuCl_4-xBr_x.

Wo liegt die Schwierigkeit bei diesem Experiment?

Die Züchtung der Kristalle ist ein äußerst schwieriges Unterfangen, das viel Know-How erfordert. Denn das Kristallwachstum ist sehr langsam und dauerte in diesem Fall knapp 8 Monate. Die Verbindung ist zudem äußerst anfällig gegenüber Natureinflüssen – während der Kristallisation müssen diese komplett verhindert werden. Außerdem verhindert diese enorme Empfindlichkeit lange Transportwege. Hier nutzten die Forscherinnen und Forscher die geographische Nähe der Universitäten, die Erfahrung der LMU in der Kristallographie und die technischen Möglichkeiten der Neutronenstreuung des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums optimal aus.

Und es bewegt sich doch!

In einem typischen Magneten würden sich alle Spins nahe am absoluten Nullpunkt in dieselbe Richtung ausrichten. Da in dieser Verbindung durch die geometrische Frustration kein Energieminimum erreicht wird, ist keine einheitliche Ausrichtung möglich. Dieser Materiezustand wird Quantenspinflüssigkeit genannt und ist in der Grundlagenforschung höchst relevant. Denn obwohl nahe dem absoluten Nullpunkt in unserer makroskopischen Welt erwartungsgemäß alles stillsteht, so bewegen sich die Spins aufgrund der Quantenmechanik doch.