Physiker haben einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis von Quanten-Spinnflüssigkeiten erzielt, einem einzigartigen Materiezustand, in dem magnetische Teilchen selbst bei absolutem Nullpunkt in einem ständig schwankenden Zustand verbleiben. Dieses faszinierende Verhalten, das von komplexen quantenmechanischen Regeln bestimmt wird, wurde über Jahre theorisiert, doch der Nachweis seiner Existenz erwies sich als herausfordernd.
Am 12. Dezember 2024 veröffentlichte ein internationales Team von Forschern aus der Schweiz, Frankreich, Kanada und den USA Ergebnisse in Nature Physics, die Beweise für eine Quanten-Spinnflüssigkeit im Material Pyrochlor-Ceriumstannat präsentieren. Durch den Einsatz fortschrittlicher experimenteller Techniken wie Neutronenstreuung bei ultraniedrigen Temperaturen maß das Team die Wechselwirkungen von Neutronen mit Elektronenspins und entdeckte kollektive Anregungen, die lichtartigen Wellen ähneln.
Romain Sibille, Leiter des experimentellen Teams am Paul Scherrer Institut in der Schweiz, erklärte: „Das eigentliche Neutronenstreuungsexperiment wurde auf einem hochspezialisierten Spektrometer durchgeführt, wodurch wir extrem hochauflösende Daten erhalten konnten.“ Die Studie stellt einen Höhepunkt der Bemühungen dar, eindeutige Signaturen von Quanten-Spinnflüssigkeiten zu identifizieren.
Das Phänomen der magnetischen Frustration in bestimmten Kristallstrukturen stört die Ausrichtung der Elektronenspinne und führt zu außergewöhnlichen quantenmechanischen Verhaltensweisen. In diesem Zustand stabilisieren sich die Spins nicht in konventionellen Ordnungen, sondern bilden flüssigkeitsähnliche Korrelationen, was zu Anregungen führt, die als Spinonen bekannt sind und sich wie fraktionierte Teilchen verhalten.
Andriy Nevidomskyy, außerordentlicher Professor an der Rice University, erklärte, dass die Wechselwirkungen zwischen diesen Spinonen denen elektrisch geladener Teilchen ähneln, wobei der Austausch lichtartiger Quanta ihre Wechselwirkungen erleichtert. Diese Verbindung zur Quanten-Elektrodynamik (QED) deutet darauf hin, dass die Untersuchung von Quanten-Spinnflüssigkeiten den Weg für Fortschritte in Quanten-Technologien, einschließlich Quantencomputing, ebnen könnte.
Die Ergebnisse eröffnen auch Möglichkeiten zur Erforschung von Doppelpartikeln, bekannt als Visonen, die eine elektrische Ladung tragen und möglicherweise mit den seit langem theoretisierten magnetischen Monopolen verbunden sind. Nevidomskyy äußerte Begeisterung über zukünftige Forschungen und erklärte: „Nach dieser Entdeckung ist es umso spannender, nach Beweisen für monopole Teilchen in einem Spielzeuguniversum zu suchen, das aus Elektronenspins in einem Materialstück besteht.“
Diese Forschung, unterstützt von verschiedenen nationalen Wissenschaftsstiftungen, verbessert nicht nur das Verständnis der Quantenmechanik, sondern bietet auch vielversprechende Perspektiven für praktische Anwendungen in der Quanten-Technologie der nächsten Generation.