Die Eigenschaften von Materie nahe am absoluten Temperatur-Nullpunkt von -273,15° Celsius werden in entscheidender Weise durch die Quantenphysik bestimmt. Ob ein Material magnetisch ordnet, ob es elektrisch leitend oder gar supraleitend ist, wird unter anderem durch den Quantenzustand festgelegt, den das System am Nullpunkt annimmt. Dieser Zustand kann sich jedoch abhängig von den äußeren Bedingungen ändern, wenn zum Beispiel ein Magnetfeld angelegt wird. Bei einem kritischen Wert findet dann ein Quantenphasenübergang zwischen zwei Quantenzuständen statt. In der Nähe dieses Übergangs werden die Materialeigenschaften von beiden Zuständen beeinflusst und dies führt zu außergewöhnlichen quantenkritischen Phänomenen.
Manch ungewöhnliches Verhalten, das in verschiedenen komplexen Materialien beobachtet wird, kann auf solche Quantenphasenübergänge zurückgeführt werden. Ein sehr prominentes Beispiel sind Hochtemperatur-Supraleiter, die im Fokus der aktuellen Grundlagenforschung stehen und darüber hinaus auch von großem, technologischen Interesse sind. Allerdings sind viele Quantenphasenübergänge sehr kompliziert und meist nur unzureichend verstanden. Nun gelang es einem Team von Physikern der Universität zu Köln, der TU Dresden und der Universität Wuppertal, ein experimentelles Paradebeispiel für einen Quantenphasenübergang zu etablieren, das sich exakt durch ein theoretisches Modell beschreiben lässt. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science Advances berichtet wird, handelt es sich hierbei um ein Material, das Ketten von magnetischen Kupferatomen enthält, die - ähnlich wie kleine Kompassnadeln - miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkung findet jedoch nur entlang jeder einzelnen Kette statt, während die Atome benachbarter Ketten magnetisch fast vollständig isoliert sind. Aus diesem Grund bildet sich keine gewöhnliche magnetische Ordnung aus, sondern das magnetische Verhalten wird durch Quantenfluktuationen dominiert. Die theoretische Beschreibung einzelner magnetischer Ketten wurde bereits 1931 von Hans Bethe, einem Pionier der Quantenphysik, vorangetrieben und heute sind deren Eigenschaften von theoretischer Seite sehr gut verstanden. Dies gilt insbesondere für einen Quantenphasenübergang, der in diesen magnetischen Ketten durch Anlegen eines Magnetfeldes induziert werden kann.
Von experimenteller Seite bestand lange Zeit das Problem, ein Material zu finden, das ausreichend isolierte magnetische Ketten enthält, deren Quantenphasenübergang in einem experimentell zugänglichen Magnetfeldbereich liegt. Kupfer-Pyrazin-Dinitrat erfüllt diese Eigenschaften und an Kristallen des Chemikers Professor Mark M. Turnbull (Clark University, Worcester, USA) konnten die Physiker den Quantenphasenübergang im Detail experimentell untersuchen und eine außergewöhnlich genaue Übereinstimmung mit der Theorie belegen. Die Beschreibung von Quantensystemen mit solcher Präzision ist äußerst selten. „Durch unsere Messungen konnten wir grundlegende Prinzipien von Quantenphasenübergängen sehr genau testen und diese Einsichten werden uns helfen, komplexere Systeme besser zu verstehen’’, urteilt Professor Thomas Lorenz vom II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln. Diese Untersuchung realisiert ein Paradebeispiel eines Quantenphasenübergangs, das als wichtige Referenz für die weitere Forschung auf diesem Feld dienen wird.
Die Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Sonderforschungsbereiche SFB 1238 „Control and Dynamics of Quantum Materials“ an der Universität zu Köln und SFB 1143 „Correlated Magnetism: From Frustration To Topology“ an der TU Dresden sowie durch die Forschergruppen FOR 960 „Quantum Phase Transitions“ und FOR 2316 „Correlations in Integrable Quantum Many-Body Systems“ gefördert.
Oliver Breunig, Markus Garst, Andreas Klümper, Jens Rohrkamp, Mark M. Turnbull, and T. Lorenz, Quantum Criticality in the spin-1/2 Heisenberg chain system copper pyrazine dinitrate, Science Advances 3, eaao3773 (2017)
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