07.03.2018
Forschung: Quantenkritisches Verhalten im eindimensionalen Quantenmagnet Kupfer-Pyrazin-Dinitrat
Phasendiagramm von Kupfer-Pyrazin-Dinitrat als Funktion des Magnetfeldes und der Temperatur mit einem Quantenphasenübergang bei einem Magnetfeld von ca. 14 T. Das untersuchte Material besteht aus Ketten von Kupferatomen, deren magnetische Momente hier als blaue Pfeile dargestellt sind. Die Farbkodierung spiegelt die gemessene spezifische Wärme wieder.
Viele faszinierende Quantenphänomene können in niedrigdimensionalen Quantenmagneten realisiert werden. Die räumliche Einschränkung der Spinfluktuationen auf zweidimensionale Ebenen oder eindimensionale Ketten führt zu starken Korrelationen und womöglich zu exotischen Grundzuständen wie etwa Spinflüssigkeiten, die keine langreichweitige magnetische Ordnung besitzen. Legt man ein genügend hohes Magnetfeld an, dann werden solche Spinflüssigkeiten jedoch instabil und ein Quantenphasenübergang in einen feldpolarisierten Zustand wird induziert. Ein wichtiges Beispiel eines solchen Übergangs findet man in der Heisenberg Spin-½ Kette, die mittels Bethe-Ansatz Methoden exakt lösbar ist und deren quantenkritische thermodynamischen Eigenschaften theoretisch sehr gut verstanden sind.
Solche Heisenberg Ketten findet man in dem Material Kupfer-Pyrazin-Dinitrat. Die magnetischen Momente in unterschiedlichen Ketten wechselwirken hier nur sehr schwach miteinander, so dass langreichweitige magnetische Ordnung nur unterhalb einer Temperatur von 0.1 Kelvin auftritt. Überhalb dieser Temperatur existiert ein großer Temperatur- und Magnetfeldbereich, der durch die Physik der magnetischen Heisenberg Ketten dominiert wird. Dies bietet eine einzigartige Gelegenheit für einen quantitativen Vergleich zwischen Theorie und Experiment. Wie in der Fachzeitschrift Science Advances berichtet wird [1], konnte ein Team von experimentellen und theoretischen Physikern der Universität zu Köln, der Universität Wuppertal und der TU Dresden anhand von einem umfassenden Datensatz an thermodynamischen Größen die exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment jetzt bestätigen. Diese Studie belegt eindrucksvoll, dass Kupfer-Pyrazin-Dinitrat ein Paradebeispiel eines Quantenphasenübergangs in einem Quantenmagneten realisiert, das fundamentale Prinzipien der quantenkritischen Thermodynamik lehrreich veranschaulicht.
[1] O. Breunig, M. Garst, A. Klümper, J. Rohrkamp, M. M. Turnbull, T. Lorenz,
Quantum Criticality in the spin-1/2 Heisenberg chain system copper pyrazine dinitrate,
Science Advances 3 eaao3773 (2017)