Streifenmuster im Kristall: Vor 90 Jahren postulierte der Physiker Hans Bethe, dass bestimmte Kristalle bei Anregung komplexe, streifenförmige Magnetmuster zeigen. Jetzt ist es Forschern gelungen, diese „Bethe-Strings“ erstmals experimentell nachzuweisen. Die mithilfe von Neutronenstrahlen nachgewiesenen Zustände bestätigen Bethes Vorhersagen und auch wichtige Grundlagen der Quantenphysik, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.
Die meisten Festkörper um uns herum sind Kristalle – komplexe, regelmäßige Anordnungen von Atomen oder Molekülen. Je nach Art dieser Gitter und ihrer Bindungen können in solchen Materialien eine Vielzahl von exotischen Interaktionen, Quasiteilchen und sogar ganz neue Materiezustände auftreten. Physiker sprechen wegen der Komplexität und der zahlreichen an diesen Zuständen beteiligten Teilchen auch von Vielkörper-Interaktionen.
Magnetische „Zebrastreifen“ im Kristall
Einen dieser exotischen „Vielkörper-Zustände“ hat der Physiker Hans Bethe schon im Jahr 1931 postuliert. Er beschrieb Kristalle, deren Gitter zwar dreidimensional ist, die aber trotzdem nur in einer Richtung magnetische Wechselwirkungen aufweisen – sie sind magnetisch eindimensional. Weil die magnetischen Dipolmomente benachbarter Kristallbausteine in entgegengesetzt Richtungen zeigen, können diese Festkörper unter bestimmten Bedingungen streifenartige Muster der magnetischen Anregung zeigen – sogenannte Bethe-Strings.
Das Problem jedoch: „Diese Streifen galten schon damals als mit gängigen Experimentiermethoden nicht nachweisbar“, erklären Anup Kumar Bera vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und seine Kollegen. Denn die Bethe-Strings sind instabil und ihre schwache Spektralsignatur wird durch andere Merkmale des Systems überdeckt.
Nachweis mit Neutronenstrahl und starken Magneten
Jetzt jedoch ist es den Forschern gelungen, diese Bethe-Strings erstmals experimentell nachzuweisen. Möglich wurde dies durch Neutronenstreuexperimente unter starkem Magnetfeldeinfluss. Dafür stellten Bera und seine Kollegen zunächst Kristalle aus einem Strontium-Kobalt-Vanadium-Oxid her (SrCo<sub>2</sub>V<sub>2</sub>O<sub>8</sub). Weil nur die Kobaltatome in diesem Kristall magnetische Momente haben, richten sie sich alle entlang einer Kristallachse aus – das Material ist magnetisch eindimensional.
Für ihr Experiment platzierten die Forscher diesen Kristall in den Strahl einer starken Neutronenquelle und setzten sie starken Magnetfeldern von bis zu 25,9 Tesla aus. Unter diesen Bedingungen richten sich die magnetischen Dipolmoment der Kobaltatome so aus, dass sich benachbarte Momente gegenseitig aufheben. Als Folge entsteht das von Bethe postulierte Streifenmuster, wie die Messungen ergaben.
Nach 90 Jahren bestätigt
„Unsere Studie enthüllt die charakteristischen Verteilungsverhältnisse und identifiziert eindeutig die angeregten Zustände der Vielkörper-Bethe-Strings“, konstatieren die Forscher. „Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der Theorie“, sagt Beras Kollegin Bella Lake. „Wir konnten zwei und sogar drei Ketten von Bethe-Strings eindeutig identifizieren und ihre Energieabhängigkeit bestimmen. Diese Ergebnisse zeigen uns einmal mehr, wie gut Quantenphysik experimentelle Ergebnisse erklären kann.“
Nach 90 Jahren ist es somit gelungen, das von Hans Bethe vorhergesagte exotischen Magnetverhalten solcher Kristalle experimentell zu belegen. Die Forscher hoffen nun, dass ihr Durchbruch die nähere Erforschung dieser Zustände auch in ähnlichen Systemen anstößt. (Nature Physics, 2020; doi: 10.1038/s41567-020-0835-7)
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
