08.04.2014

Paul Scherrer Institut (PSI)

Quantenphysikalisch geschmolzen

Durch Quanteneffekte ausgelöste Änderungen des Aggregatzustands – physikalisch korrekt Quantenphasenübergänge – spielen bei vielen erstaunlichen Phänomenen in Festkörpern, wie der Hochtemperatursupraleitung eine Rolle. Forschende aus der Schweiz, England, Frankreich und China haben nun in der magnetischen Struktur des Materials TlCuCl3 Quanteneffekte gezielt verändert, indem sie das Material äusserem Druck aussetzten und diesen Druck variierten. Mithilfe von Neutronen konnten sie beobachten, was bei einem Quantenphasenübergang passiert, bei dem die magnetische Struktur quantenphysikalisch schmilzt.

Wenn man Eis erwärmt, bewegen sich die Wasserteilchen darin immer heftiger, bis irgendwann die Kräfte zwischen den Teilchen nicht mehr stark genug sind, um sie zusammenzuhalten – das Eis schmilzt und wird zu flüssigem Wasser. Die Quantenphysik sagt voraus, dass man vergleichbare Phänomene beobachten kann, wenn man die Quantenfluktuationen, also gewissermassen unser Unwissen über gewisse Eigenschaften der Teilchen in einem Material, ändert. Solche durch Quanteneffekte ausgelösten Änderungen des Aggregatzustands – physikalisch korrekt Quantenphasenübergänge – spielen bei vielen erstaunlichen Phänomenen in Festkörpern wie der Hochtemperatursupraleitung eine Rolle. Forschende aus der Schweiz, England, Frankreich und China haben nun in der magnetischen Struktur des Materials TlCuCl3 Quantenfluktuationen gezielt verändert, indem sie das Material äusserem Druck aussetzten und diesen Druck variierten. Mithilfe von Neutronen konnten sie beobachten, was bei einem Quantenphasenübergang passiert, bei dem die magnetische Struktur quantenphysikalisch schmilzt. So konnten sie die Vorgänge bei diesem „Quantenschmelzen“ mit klassischen Phasenübergängen vergleichen.

Ob Wasser flüssig ist oder ein Festkörper in Form von Eis, hängt davon ab, welche von zwei Kräften in seinem Inneren die Oberhand gewinnt. Die eine ist die Bindungskraft zwischen den Wasserteilchen, die andere die Bewegung der Teilchen, die umso heftiger wird, je höher die Temperatur ist. Erwärmt man Eis über Null Grad Celsius, wird die Bewegung der Teilchen so stark, dass die chemische Bindung sie nicht mehr zusammenhalten kann – das Eis schmilzt. Es ändert sich der Aggregatzustand, oder wie Physiker sagen: Es kommt zu einem Phasenübergang. Ein ähnliches Phänomen kann man in Magneten beobachten – erwärmt man einen Magneten, wird er unmagnetisch. Der Grund ist ähnlich: Man kann sich vorstellen, dass es im Inneren des Magneten viele winzige Stabmagnete gibt – Physiker sprechen von magnetischen Momenten. Wenn alle diese magnetischen Momente parallel ausgerichtet sind, ist das ganze Material magnetisch geordnet und wirkt wie ein Magnet. Für die Ausrichtung der Magnete sorgen Kräfte, die im Material zwischen den magnetischen Momenten wirken. Wird das Material erhitzt, schwankt die Richtung der Momente immer stärker bis die Kräfte diese nicht mehr ausrichten können und schliesslich die magnetische Ordnung verschwindet – sie ist gewissermassen geschmolzen.

Quantenphysikalische Aggregatzustände
Neben diesem „klassischen“, durch Temperaturänderungen ausgelösten Schmelzen gibt es in manchen Materialien noch ein vergleichbares, fundamentales Phänomen, das durch die Gesetze der Quantenphysik bestimmt wird. Die Quantenphysik bewirkt, dass man gewissen Eigenschaften von Teilchen in einem Material nicht genau kennen kann. Diese Unbestimmtheit bezeichnet man oft als Quantenfluktuationen. Die Bezeichnung lehnt sich an die oben beschriebenen klassischen Fluktuationen an, bei denen die Position von Teilchen oder die Ausrichtung von magnetischen Momenten mit der Zeit schwankt und deswegen im Mittel unbestimmt ist. Die Natur der beiden Arten von Fluktuationen ist aber jeweils völlig verschieden.
Das durch Quantenfluktuationen ausgelöste „Schmelzen“ ist ein Beispiel für einen Quantenphasenübergang – das durch die Veränderungen der Quantenfluktuationen verursachte quantenphysikalische Analogon eines klassischen Phasenübergangs – also des Übergangs zwischen verschiedenen Aggregatzuständen. Solche Quantenphasenübergänge sind für viele interessante Phänomene der Festkörperphysik wichtig, wie zum Beispiel für die Hochtemperatursupraleitung.

Herausforderung Quantenfluktuationen
Forschende des Paul Scherrer Instituts (Villigen, Schweiz) haben nun mit Kollegen am University College London, dem Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankreich), der Universität Bern und der Universität Renmin (Peking, China) die Wirkung der Quantenfluktuationen und ihr Zusammenspiel mit klassischen Fluktuationen in dem Material TlCuCl3 genau untersucht. Dieses war an der Universität Bern hergestellt worden. Die besondere experimentelle Herausforderung dabei war, dass man die Quantenfluktuationen gezielt verändern musste. Die klassischen Fluktuationen zu ändern, ist relativ einfach – man muss das Material abkühlen oder erwärmen. Um die Quantenfluktuationen in einem Material zu kontrollieren, muss man aber die Wechselwirkung zwischen den Momenten gezielt variieren. Die Forschenden nutzten die Tatsache, dass TlCuCl3 relativ weich ist, sodass man mit äusserem Druck atomare Abstände und damit die Wechselwirkung innerhalb des Materials gut verändern kann. Im Experiment haben sie so über einen grossen Bereich Druck und Temperatur variiert und das Material mit Neutronen aus den Neutronenquellen des PSI und des ILL untersucht. So konnten sie genau bestimmen, wie sich die Zustände des Materials verändern.

Unordnung ist nicht gleich Unordnung
Die Forschenden haben die magnetische Ordnung in dem Material untersucht, also die Anordnung der magnetischen Momente. Bei niedrigem Druck sind die magnetischen Kräfte zwischen den magnetischen Momenten am schwächsten, und die Quantenfluktuationen der magnetischen Momente am stärksten. Damit ist auch die „Unordnung“ unter den magnetischen Momenten am grössten. „Diese Unordnung sieht aber anders aus als in einem klassischen System. Dort sind die Richtungen der magnetischen Momente im unmagnetischen Zustand einfach zufällig verteilt“, erklärt Christian Rüegg, Laborleiter am Paul Scherrer Institut und Leiter des Forschungsprojekts. „Hier hingegen bilden zwei benachbarte Momente jeweils ein Paar, wobei die beiden Momente in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Paaren ist aber nicht stark genug, sodass keine Ordnung mit langer Reichweite entsteht. Innerhalb des Paares sind die Momente aber genau entgegengesetzt.“ Dabei ist nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht festgelegt, welches der Momente eines Paares in welche Richtung weist. Dieses vollständige Unwissen über die Ausrichtung der einzelnen Momente spiegelt sich in der maximalen Quantenfluktuation wider. Erhöht man nun den Druck, rücken die magnetischen Momente zusammen, sodass die Momente aus benachbarten Paaren einander stärker spüren und allmählich eine langreichweitige Ordnung entsteht – es kommt zum Quantenphasenübergang.

Quantendynamik der magnetischen Momente
In ihrem Experiment haben sich die Forscher vor allem für die magnetischen „Anregungen“ im Inneren des Materials interessiert, die sehr präzise Informationen zu den Quantenzuständen der Momente liefern können. Solche Anregungen kann man sich als gemeinsame, koordinierte Schwingung der magnetischen Momente vorstellen, ähnlich einer Wasserwelle oder der Schwingung einer Gitarrensaite. Die Anregungen hängen wieder mit der „Unordnung“ im Material zusammen, denn je mehr Anregungen man hat, umso stärker bewegen sich die magnetischen Momente. Die Quantenphysik schreibt vor, dass die Anregungen in TlCuCl3 eine Mindeststärke haben müssen und auch nur in festgelegten Stufen stärker werden können. Wie stark die Mindestenergie einer bestimmten Anregung ist, also wie leicht diese angestossen werden kann, hängt von den Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten ab – in diesem Experiment also vom Druck, der auf die Probe ausgeübt wird. Die Forschenden haben in ihrem Experiment gezeigt, dass bei starkem Druck manche Anregungen so hohe Energien brauchen, dass sie praktisch gar nicht vorkommen. Senkt man den Druck und nähert sich dem Wert, bei dem es zum Quantenphasenübergang kommt, so nimmt die Energie ab, die für die Anregungen nötig ist, und immer mehr verschiedene Anregungen können beobachtet werden. Darunter sind auch solche, die mathematisch wie das Higgs-Boson der Elementarteilchenphysik zu beschreiben sind, sodass man von Higgs-Teilchen im Festkörper sprechen kann. Rüegg erklärt: „Wir waren sehr erstaunt, dass diese Anregungen eine wichtige Rolle spielen, unabhängig davon ob die Ordnung nun durch quantenmechanische oder klassische Fluktuationen zerstört wird. Das ist eine faszinierende Eigenschaft von Quantenphasenübergängen.“

Neutronen zeigen Anregungen
Die Untersuchungen haben die Forschenden mithilfe von Neutronen an den Neutronenquellen des Paul Scherrer Instituts und des Institut Laue-Langevin durchgeführt. In Ihren Experimenten haben sie einen Strahl von Neutronen durch eine Probe des Materials geschickt und beobachtet, wie sich Flugrichtung und Geschwindigkeit der Neutronen auf dem Weg durch die Probe verändert haben. So konnten sie die magnetische Ordnung und die Anregungen in dem Material untersuchen. Um die Anregungen auszumessen, beobachten sie, wie sich die Geschwindigkeit und damit die Bewegungsenergie der Neutronen auf dem Weg durch die Probe ändert. Ist das Neutron langsamer als vorher, muss es seine Energie in der Probe verloren haben, indem es dort eine Anregung angestossen hat. „Diese Fluktuationen können nur mit Neutronen beobachtet werden, und es ist entscheidend, dass man die Möglichkeit hat, die Proben bei verschiedenen Werten von Druck und Temperatur zu untersuchten“, erklärt Martin Boehm, der am ILL die Messungen betreut hat. „Dabei profitieren wir von einer Besonderheit der Neutronen: Sie können quasi ungestört durch die Wände der Druckzelle fliegen, in der sich die Probe während der Messung befindet.“

Ein neues Modellmaterial
„Am Material TlCuCl3 lassen sich solche spektroskopischen Experimente zum ersten Mal durchführen, weil es relativ weich ist und man deswegen die Abstände und Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten gut mithilfe von äusserem Druck verändern kann“, erklärt Rüegg. „Bei anderen Materialien braucht man einen viel stärkeren Druck, den man aber nur bei sehr kleinen Proben einsetzen kann, sodass diese dann für spektroskopische Experimente mit Neutronen zu klein sind. Alternativ kann man versuchen, verschiedene Proben herzustellen, die in ihrer Struktur ein wenig variieren. Aber so erhält man keinen vollständigen Überblick über das Verhalten, und die Versuche würden sehr lange dauern.“

Quelle:
P. Merchant, B. Normand,K. W. Krämer, M. Boehm, D. F. McMorrow, and Ch. Rüegg, "Quantum and classical criticality in a dimerized quantum antiferromagnet", Nature Physics Advance Online Publication (AOP) 06 April 2014 DOI: 10.1038/NPHYS2902, http://dx.doi.org/10.1038/NPHYS2902

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