Forschung: Präzise Kontrolle von Kristallfeld-Energieniveaus durch Verformungsex­perimente in einem Schwere-Fermionen-System

Quantenmaterialien zeichnen sich durch mehrere konkurrierende Energieskalen aus, die in ihren ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften sichtbar werden. Die möglichst exakte experimentelle Handhabe dieser Energieskalen ist eine zentrale Herausforderung in der Forschung zu Quantenmaterialien, um die dabei auftauchenden Phänomene verstehen zu können.

Die mit internen elektrischen Feldern (Kristallfeldern) verbundenen Energieskalen haben in Bezug auf den Magnetismus der hier untersuchten Materialien einen entscheidenden Einfluss auf die Wechselwirkungen zwischen den beteiligten magnetischen Momenten. In unserer Arbeit berichten wir über eine neuartige Methode zur Beeinflussung und Untersuchung von Veränderungen in diesem Energieschema durch uniaxialen Druck. Uniaxialer Druck und die damit einhergehende Verformung sind dabei effiziente Kontrollparameter, denn sie verändern die zugrunde liegenden Gittersymmetrien, was sich wiederum auf das Energieschema auswirkt. Wir demonstrieren dies experimentell in dem Schwere-Fermionen-System YbPtBi. Dessen kubische Symmetrie erzwingt ein vierfach entartetes Energieniveau. Dieses Quartett wird durch den symmetrieerniedrigenden uniaxialen Druck in zwei Dublette aufgespalten. Durch die Messung des elastokalorischen Effekts, also der durch die Verformung induzierten Temperaturänderung, und den Vergleich mit Modellrechnungen quantifizieren wir explizit die Abhängigkeit der Energieniveaus im Kristallfeld von der Dehnung oder Stauchung. Dieser neue Ansatz wird für die Untersuchung von frustrierten Magneten und anderen Quantenmaterialien unter uniaxialem Druck von großer Bedeutung sein.

E. Gati, B. Schmidt, S. L. Bud'ko, A. P. Mackanzie, P. C. Canfield,
Elastocaloric effect of the heavy-fermion system YbPtBi,
npj Quantum Materials 8, 69 (2023) (arXiv)