Ein internationales Forschungsteam – darunter das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- hat einen Quantenzustand entdeckt, der auf diese Weise beschrieben werden könnte. Wissenschaftlern ist es gelungen, ein spezielles Material auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Sie fanden heraus, dass eine zentrale Eigenschaft von Atomen – ihre Ausrichtung – nicht wie üblich „einfriert“, sondern in einem „flüssigen“ Zustand verbleibt.
Innerhalb Quantenmaterialien, interagieren die Elektronen mit ungewöhnlicher Intensität, sowohl untereinander als auch mit den Atomen des Kristallgitters. Diese enge Verbindung erzeugt starke Quanteneffekte, die sich auf mikroskopische und makroskopische Ebenen auswirken. Diese Phänomene verleihen Quantenmaterialien außergewöhnliche Eigenschaften. Beispielsweise können sie bei niedrigen Temperaturen Strom verlustfrei transportieren. Oftmals reichen schon kleine Schwankungen der Temperatur, des Drucks oder der elektrischen Spannung aus, um das Verhalten eines Materials deutlich zu verändern.
Prof. Jochen Wosnitza vom Dresdner Hochfeldmagnetlabor (HLD) am HZDR sagte: „Grundsätzlich können Magnete auch als Quantenmaterialien betrachtet werden; Schließlich basiert der Magnetismus auf dem intrinsischen Spin der Elektronen im Material. In gewisser Weise können sich diese Spins wie eine Flüssigkeit verhalten.“
„Wenn die Temperaturen sinken, können diese ungeordneten Spins gefrieren, ähnlich wie Wasser zu Eis gefriert.“
„Zum Beispiel bestimmte Arten von Magneten, sogenannte Ferromagnete, sind oberhalb ihres „Gefrierpunkts“, genauer gesagt ihres Ordnungspunktes, nicht magnetisch. Erst wenn sie unterschritten werden, können sie zu Dauermagneten werden.“
In dieser Studie wollten Wissenschaftler einen Quantenzustand entdecken, in dem die mit den Spins verbundene atomare Ausrichtung selbst bei ultrakalten Temperaturen nicht geordnet ist – ähnlich einer Flüssigkeit, die selbst bei extremer Kälte nicht erstarrt.
Um diesen Zustand zu erreichen, verwendete das Forschungsteam eine einzigartige Substanz, eine Mischung aus Praseodym, Zirkonium und Sauerstoff. Sie glaubten, dass die Eigenschaften des Kristallgitters in diesem Material es den Elektronenspins ermöglichen würden, auf einzigartige Weise mit ihren Orbitalen um die Atome zu interagieren.
Prof. Satoru Nakatsuji von der Universität Tokio sagte: „Voraussetzung war jedoch, dass die Kristalle von extremer Reinheit und Qualität waren. Es brauchte mehrere Versuche, doch schließlich gelang es dem Team, Kristalle herzustellen, die für ihr Experiment rein genug waren: In einem Kryostat, einer Art Super-Thermoskanne, kühlten die Experten ihre Probe nach und nach auf 20 Millikelvin ab – gerade einmal ein Fünfzigstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Um zu sehen, wie die Probe auf diesen Abkühlungsprozess und im Inneren reagierte magnetisches Feld, sie haben gemessen, wie sehr es sich in der Länge verändert hat. In einem anderen Experiment zeichnete die Gruppe auf, wie der Kristall auf Ultraschallwellen reagierte, die direkt durch ihn hindurchgeschickt wurden.“
Dr. Sergei Zherlitsyn, HLDs Experte für Ultraschalluntersuchungen, beschreibt: „Wären die Spins geordnet gewesen, hätte dies zu einer abrupten Änderung im Verhalten des Kristalls führen müssen, beispielsweise zu einer plötzlichen Längenänderung. Doch wie wir beobachteten, passierte nichts! Es gab weder in der Länge noch in der Reaktion plötzliche Änderungen Ultraschallwellen"
„Das ausgeprägte Zusammenspiel von Spins und Orbitalen hatte eine Ordnung verhindert, weshalb die Atome in ihrem flüssigen Quantenzustand verblieben – das erste Mal, dass ein solcher Quantenzustand beobachtet wurde.“ Weitere Untersuchungen in Magnetfeldern bestätigten diese Annahme.“
Jochen Wosnitza spekuliert, „Dieses grundlegende Forschungsergebnis könnte eines Tages auch praktische Auswirkungen haben: Irgendwann könnten wir den neuen Quantenzustand nutzen, um anfällige Quantensensoren zu entwickeln.“ Dazu müssen wir allerdings noch herausfinden, wie wir Anregungen in diesem Zustand systematisch erzeugen können. Quantensensorik gilt als vielversprechende Zukunftstechnologie. Da Quantensensoren aufgrund ihrer Quantennatur äußerst empfindlich gegenüber äußeren Reizen sind, können sie Magnetfelder oder Temperaturen weitaus präziser registrieren als herkömmliche Sensoren.“
Journal Referenz:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin-Orbital-Flüssigkeitszustand und metamagnetischer Flüssig-Gas-Übergang auf einem Pyrochlorgitter. Nat. PhyS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
