19.12.2017
Forschung: Spin-nematische Phase in LiCuVO4
Die offenen Dreiecke zeigen die normierte Spin-Polarisation, Sz/SzSAT, bis zu 56 T, die sich analog zur Hochfeldmagnetisierung ändert. Andererseits bleibt die NMR-Linienbreite (blaue Kreise) bereits ab 49 T unverändert, wie von der Theorie vorhergesagt.
Magnetisch frustrierte Materialien sind auch deshalb so faszinierend, weil unter bestimmten Bedingungen neuartige Zustände auftreten, insbesondere beim Anlegen von magnetischen Feldern. So wurde vorhergesagt, dass bei Vorliegen konkurrierender Wechselwirkungen gebundene Magnon-Paare kondensieren können und dabei eine neue Phase bilden, die auch als Spin-nematische Quantenphase bezeichnet wird. Die Nematizität der Spins ist vergleichbar mit der nematischen Ordnung, wie sie in Flüssigkristallen gefunden wird. Vor einiger Zeit wurde vorhergesagt, dass ein guter Kandidat für das Auftreten dieser Phase LiCuVO4 ist, eine magnetisch frustrierte Verbindung mit Kupfer-Spin-1/2-Ketten. Experimentell gab es jedoch keine klaren Evidenzen, da die Spin-Nematizität sensitiv auf Kristalldefekte ist und sehr hohe Magnetfelder benötigt werden.
Innerhalb des SFB 1143 konnte jüngst an einem qualitativ hochwertigen LiCuVO4-Kristall, der am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart hergestellt wurde, die Spin-nematische Phase klar nachgewiesen werden. Wissenschaftler aus den EMFL (European Magnetic Field Laboratory)-Hochfeldlaboratorien in Toulouse, Grenoble und Dresden nutzten dazu ihre unikalen Kernspinresonanz (NMR)-Aufbauten in gepulsten Magnetfeldern. Für Magnetfelder parallel zur b-Achse des Kristalls sind Felder oberhalb von 51 T für diese Untersuchungen nötig, was Messungen in statischen Magnetfeldern ausschließt. Experimentell stellt dies aufgrund der kurzen Datenaufnahmezeit eine große technologische Herausforderung dar. Es wurde ein speziell konstruierten Pulsfeldmagnet mit einer Pulsanstiegszeit von 70 ms in Kombination mit einer Spin-Echo-Sequenz mit angepasst kurzen Pulszeiten bei einer Bandbreite von 1,2 MHz verwendet.
Die “tour de force”-Messungen der NMR an 51V wurden in gepulsten Magnetfeldern bis zu 56 T durchgeführt und zeigten eine sich entwickelnde homogene lokale Magnetisierung ohne transversale dipolare (vektor-artige) Ordnung (Abbildung). Dies ist in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage für einen Spin-nematischen Zustand. Unsere Ergebnisse zeigen die gelungene Realisierung von NMR-Messungen in gepulsten Magnetfelder; eine Technik, die nun auch im SFB 1143 verfügbar ist.
A. Orlova, E. L. Green, J. M. Law, D. I. Gorbunov, G. Chanda, S. Krämer, M. Horvatic, R. K. Kremer, J. Wosnitza, G. L. J. A. Rikken,
Nuclear Magnetic Resonance Signature of the Spin-Nematic Phase in LiCuVO4 at
High Magnetic Fields,
Phys. Rev. Lett. 118, 247201 (2017) (arXiv)
F. Mila
Viewpoint: Closing in on a magnetic analog of liquid crystals,
Physics 10, 64 (2017)