Ordnung aus Quantenfluktuationen

Am absoluten Temperaturnullpunkt bestimmen Quanten und ihre Eigenschaften die Physik nicht mehr thermische Fluktuationen. Dadurch können neuartige Effekte in metallischen Systemen auftreten. Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es jetzt gelungen, in extrem sauberen Einkristallen einer metallischen Verbindung einen neuartigen ferromagnetisch geordneten Zustand nachzuweisen.

Diese Ordnung wird durch spezielle „quantenkritische Fluktuationen“ erzeugt, die in einem Magnetfeld bei extrem tiefen Temperaturen auftreten. Die Beobachtungen sind von grundlegender Bedeutung, da sie zu einem besseren Verständnis des komplexen Verhaltens stark wechselwirkender Quantensysteme beitragen und die Suche nach weiteren unbekannten Phasenzuständen motivieren. Noch ist völlig offen, in welchem Zusammenhang diese Entdeckung in Zukunft angewandt werden könnte.

Exotische Phänomene in Festkörpern kommen durch komplizierte Wechselwirkungen zwischen mehreren Teilchen in fester Materie zustande. Diese lassen sich nicht aus den unmittelbaren Eigenschaften ihrer atomaren Bausteine ableiten und viele Forschergruppen weltweit suchen daher nach einem besseren Verständnis dieser Vorgänge. Eine exzellente Möglichkeit hierfür bietet das Studium von Materialien in der Nähe des so genannten „quantenkritischen Punkts“: Dieser bezeichnet den Übergang einer Substanz am absoluten Temperaturnullpunkt zwischen zwei verschiedenen Grundzuständen. Dieser Übergang wird durch die gezielte Veränderung eines äußeren Parameters wie Druck oder Magnetfeld erreicht.

Obwohl der absolute Nullpunkt prinzipiell unerreichbar ist, können diese quantenkritischen Fluktuationen das Verhalten von Materialien auch schon oberhalb dieses Nullpunkts dominieren. So führt die Wechselwirkung der quantenkritischen Fluktuationen mit den Ladungsträgern in Metallen zu stark anomalem Verhalten. So hat man für einige antiferromagnetisch geordnete metallische Verbindungen in Druckexperimenten nachgewiesen, dass in unmittelbarer Nähe zum quantenkritischen Punkt unkonventionelle Supraleitung auftritt. Man vermutet hierbei, dass die Quantenfluktuationen eine anziehende Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern vermitteln, die dann zur unkonventionellen Supraleitung führt. Dieser Zustand ist äußerst empfindlich gegenüber kleinsten Verunreinigungen und konnte daher nur in extrem sauberen Proben beobachtet werden.

Neuer Zustand belegt

Bislang wurde spekuliert, dass starke Quantenfluktuationen auch noch andere Formen von geordneten Zuständen bewirken könnten, insbesondere dann, wenn sie durch Magnetfelder erzeugt werden und damit die Supraleitung unterdrücken. Jetzt konnte das internationale Physikerteam diese Vermutung bei Untersuchungen an der metallischen Verbindung Sr3Ru2O7 erstmals experimentell bestätigen. Die Untersuchungen zeigen, dass in dem Material bei tiefen Temperaturen und unter dem Einfluss einens Magnetfeldes ein neuartiger Zustand eintritt.

Weitere Experimente belegen, dass der neuartige Zustand eindeutig mit den Fluktuationen des zugrunde liegenden quantenkritischen Punkts verknüpft ist. Die genaue Natur des neuen Zustands ist noch nicht bekannt, doch die Experimente deuten an, dass die Elektronen im Magnetfeld spontan polarisiert werden. Üblicherweise richtet sich die Polarisation der Elektronen nach der Symmetrie des zugrunde liegenden Kristallgitters – in diesem Fall eine vierzählige Symmetrie in der Ebene senkrecht zum angelegten Feld. Doch die Experimente an Sr3Ru2O7 lassen nun erkennen, dass der neue Zustand eine reduzierte Symmetrie (nur noch zweizählig) aufweist, die es einem größeren Anteil der Elektronen ermöglicht, sich nach dem äußeren Magnetfeld auszurichten.

Diese Befunde zeigen, dass quantenkritische Fluktuationen in Stoffen dazu führen können, dass sich neue Arten von geordneten Zuständen ausbilden . Die Entdeckung des unbekannten Zustands ermöglicht ein besseres Verständnis der komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in einem Festkörper. Zudem motiviert sie die Suche nach weiteren derartigen Zuständen in der Nähe von quantenkritischen Punkten.

(MPG, 12.11.2004 – NPO)