Physiker der TU Dresden veröffentlichen heute in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität zu Köln und der Universität Wuppertal einen Artikel in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“, in dem sie erstmals ein Paradigma zum besseren Verständnis von Quantenphasenübergängen vorstellen.

Die Quantenphysik bestimmt in entscheidender Weise die Eigenschaften von Materialien für Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei -273,15^°C. Ob ein Material magnetisch ist, ob es elektrisch leitend oder gar supraleitend ist, wird unter anderem durch den Quantenzustand festgelegt, in dem sich jedes System am Nullpunkt befindet. Dieser Zustand kann sich jedoch mit den äußeren Bedingungen ändern, wenn zum Beispiel ein Magnetfeld angelegt wird. Bei einem kritischen Wert findet dann ein Quantenphasenübergang zwischen zwei Quantenzuständen statt.

Manches ungewöhnliche physikalische Verhalten, das in komplexen Materialien beobachtet wird, kann auf Quantenphasenübergänge zurückgeführt werden. Solche Materialien, wie zum Beispiel Hochtemperatur-Supraleiter, stehen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften im Fokus aktueller Forschung und sind auch in technologischer Hinsicht von Interesse. Allerdings sind viele dieser Übergänge sehr kompliziert und bisher nur unzureichend verstanden. Nun gelang es einem Team von Physikern der TU Dresden, der Universität zu Köln und der Universität Wuppertal, ein eindrucksvolles Beispiel eines solchen Quantenphasenübergangs zu realisieren und theoretisch detailliert zu beschreiben.

Das Forscherteam untersuchte einen Quantenphasenübergang im Isolator Kupfer-Pyrazin-Dinitrat, das aus Ketten von magnetischen Kupferatomen besteht, die -- ähnlich wie kleine Kompassnadeln -- miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkung findet nur zwischen Atomen innerhalb einer einzelnen Kette statt, während Atome benachbarter Ketten magnetisch fast völlig isoliert sind. Aus diesem Grund bildet sich keine gewöhnliche magnetische Ordnung aus, sondern das magnetische Verhalten wird durch Quantenfluktuationen in den einzelnen Ketten dominiert. In einem Magnetfeld können diese magnetischen Ketten ihren Grundzustand ändern. „Das untersuchte Material ist ideal, da sämtliche Voraussetzungen erfüllt sind, um diesen Quantenphasenübergang experimentell im Labor untersuchen zu können“, sagt Prof. Thomas Lorenz von der Universität zu Köln, der die experimentelle Untersuchung leitete.

Die theoretische Beschreibung von magnetischen Ketten wurde schon 1931 von Hans Bethe, einem Pionier der Quantenphysik, vorangetrieben. Deren Eigenschaften sind heute sehr gut theoretisch verstanden, insbesondere auch aufgrund der Weiterentwicklungen durch Prof. Andreas Klümper von der Universität Wuppertal, der auch diese Arbeit begleitete. Erst durch diese Ergebnisse wurde die exakte theoretische Beschreibung des Quantenphasenübergangs ermöglicht. „Es handelt sich hier um ein Paradebeispiel eines Quantenphasenübergangs, das als wichtige Referenz für die weitere Forschung und insbesondere auch für die Lehre in diesem Feld dienen wird“, sagt Privatdozent Markus Garst vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden, der die theoretische Analyse der Daten durchführte. „Erstmals konnten alle grundlegenden Prinzipien von Quantenphasenübergängen von A bis Z getestet und erklärt werden. Diese Einsichten werden helfen, auch komplexere Systeme zukünftig besser zu verstehen“, so Garst.

Die Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen der Sonderforschungsbereiche SFB 1143 „Correlated Magnetism: From Frustration To Topology“ an der TU Dresden, SFB 1238 „Control and Dynamics of Quantum Materials“ an der Universität zu Köln und der Forschergruppen FOR 960 „Quantum Phase Transitions“ und FOR 2316 „Correlations in Integrable Quantum Many-Body Systems“ gefördert.

Publikation:

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 2017; 3:eaao3773

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