Viele physikalische Phänomene können mit relativ einfacher Mathematik modelliert werden. In der Quantenwelt jedoch gibt es faszinierende Phänomene, die aus den Wechselwirkungen mehrerer Partikel – so genannter Vielkörpersysteme – entstehen. Rechnerisch sind sie schon extrem schwierig zu bewältigen, experimentell bislang ganz unmöglich. Das ist jetzt einer internationalen Gruppe von theoretischen und Experimentalphysikern unter Einsatz fast aller Großgeräte gelungen, die Europa in diesem Bereich zu bieten hat: der Schweizer Spallationsquelle SINQ, dem Paul Scherrer Institut, dem FRM II mit dem Instrument PANDA und dem ILL in Grenoble. Die Ergebnisse hat nun Nature Physics veröffentlicht.
Quanten-Vielkörperzustände sind theoretische Modelle, werden aber durchaus praktisch genutzt wie beispielsweise bei der Supraleitung, in Superfluiden und Bose-Einstein-Kondensaten. Viele andere existieren allerdings nur theoretisch ohne experimentellen Nachweis. Wissenschaftler der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) haben nun erstmals experimentell einen Quantenphasenübergang in Strontiumkupferborat erzeugen können. Das ist das bisher einzige Material, in dem dieses Quanten-Vielkörpermodell tatsächlich vorliegt und den Wissenschaftlern ist es gelungen, damit experimentell einen neuen Quanten-Vielkörper-Zustand zu erzeugen.
Im Gegensatz zu klassischen Phasenübergängen wie Eis (fest), das zu flüssigem Wasser schmilzt und dann als Gas verdampft, beschreiben Quantenphasenübergänge Änderungen am absoluten Nullpunkt (-273,15 °C). Sie treten aufgrund von Quantenfluktuationen auf, die durch geänderte physikalische Parameter ausgelöst werden. Die Forscher konnten den neuen Quantenzustand mit Hilfe von Neutronenspektroskopie unter hohem Druck identifizieren.
Die quantenpaarige Verschränkung von magnetischen Momenten in einer zweidimensionalen Gitterstruktur lässt sich mit Hilfe des Shastry-Sutherland-Modells exakt berechnen. Ursprünglich war dieses Modell nur ein abstraktes theoretisches Konstrukt für einen so genannten frustrierten Quantenmagneten, später stellte sich heraus, dass diese Struktur tatsächlich im Strontiumkupferborat vorliegt. Mohamed Zayed (EPFL) und Christian Ruegg (PSI) entdeckten, dass das quantenmagnetische Strontiumkupferborat unter Druck dazu gebracht werden kann, einen sogenannten Quantenphasenübergang zu einem völlig neuen Quantenzustand zu vollziehen.
"Die Quantenvielkörperphysik bleibt eine Herausforderung, bei der die Theorie nur an der Oberfläche gekratzt hat ", sagt Henrik Rønnow (EPFL). “Bessere Methoden hätten Auswirkungen von der Materialwissenschaft bis zur Quanteninformationstechnologie." Dieses Ergebnis ist ein Erfolg für Wissenschaftler aus der ganzen Welt, die daran beteiligt waren: von der Carnegie Mellon University in Katar, dem Paul Scherrer Institut, der Universität Genf, dem University College London, dem Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, der Universität Innsbruck, der University of Cambridge, der Nanyang Technological University, der Université Pierre et Marie Curie, der Russischen Akademie der Wissenschaften, dem Institut Laue-Langevin und dem MLZ.
Eine englische Pressemeldung hat das EPLF herausgegeben.
Originalpublikation:
M. E. Zayed et al., 4-spin plaquette singlet state in the Shastry–Sutherland compound SrCu2(BO3)2, Nature Physics (2017)