Forschung: Quintuplet-Kondensation in Cu2OSeO3 bei ultrahohen Magnetfeldern

Auf den ersten Blick scheint Cu₂OSeO₃ - das Material, das als erster skyrmionischer
Mott-Isolator bekannt ist - kein vielversprechender Kandidat für die Bose-Einstein-Kondensation von Magnonen zu sein: Seine starken S=1-Tetraeder haben einen robusten Triplettzustand und das breite 1/2-Magnetisierungsplateau, von dem erwartet wird, dass es einem enormen Magnetfeld von etwa 200 Tesla widersteht. In dieser Arbeit gelang es einem Forscherteam unter der Leitung von Prof. Toshihiro Nomura aus Shizuoka
und Tokio, die Intensität und Polarisation von Licht zu messen, das durch Cu₂OSeO₃ hindurchgeht, und zwar in ultrahohen Magnetfeldern. Die gemessenen Größen wurden zu einem Faraday-Rotationswinkel kombiniert, der unerwarteterweise ein breites Maximum zwischen dem Zusammenbruch des Plateaus bei 180 Tesla und der vollständigen Sättigung bei 300 Tesla entwickelte.

Um den Ursprung dieses Maximums zu verstehen, nahmen Prof. Ioannis Rousochatzakis von der Loughborough University und Dr. Oleg Janson vom IFW Dresden ihr zuvor entwickeltes mikroskopisches Modell und analysierten dessen Verhalten bei hohen Feldern sowohl analytisch (tetraedrische Molekularfeldtheorie) als auch numerisch (Quantum-Monte-Carlo-Simulationen). Diese Analyse ergab, dass das nichtmonotone Verhalten der Magnetisierung mit der elektrischen Polarisation korreliert; die lineare magnetoelektrische Kopplung, die aus früheren Berichten für Cu₂OSeO₃ bekannt ist, spielt hier eine entscheidende Rolle. Vor allem wurde die Phase zwischen dem Plateau und der vollständigen Sättigung als Magnonenkondensat identifiziert.

Die Messung der vollständigen Magnetisierungskurve in einem Quantenmagneten
mit einem außergewöhnlich robusten 1/2-Plateau ist eine bemerkenswerte Leistung. Ebenso bemerkenswert ist der Nachweis, dass das Modell der starken Tetraeder, das die Bildung von Skyrmionen in schwachen Feldern beschreibt, auch bei extrem hohen Magnetfeldern gültig bleibt und nützliche Erkenntnisse liefert.

T. Nomura, I. Rousochatzakis, O. Janson, M. Gen, X.-G. Zhou, Y. Ishii, S. Seki, Y. Kohama, Y. H. Matsuda,
Quintuplet Condensation in the Skyrmionic Insulator Cu_2⁢OSeO₃ at Ultrahigh Magnetic Fields,
Phys. Rev. Lett. 136, 076703 (2026) (arXiv)