Research: A quantum spin liquid based on a new three-dimensional lattice

Materialien für Quanten-Spinflüssigkeiten unterscheiden sich signifikant von konventionellen magnetischen Materialien. Durch die Kombination von Quantenfluktuationen und geometrischer Struktur des Kristallgitters können die Spins nicht in einem geordneten Zustand "einfrieren". Stattdessen fluktuieren sie selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Quanten-Spinflüssigkeiten sind selten und wurden bisher hauptsächlich in zweidimensionalen magnetischen Systemen gefunden. Eine experimentelle Untersuchung von PbCuTe₂O₆ - einem Material auf einem sogenannten Hyper-Hyperkagome-Gitter - mit Neutronenstreu-Messungen ergab ein dreidimensionales Spektrum, in dem die Anregungen breit und diffus sind, wie es für das Verhalten von Spinflüssigkeiten typisch ist. Die experimentellen Daten wurden dann mit theoretischen Studien des Spektrums verglichen, wobei der Hamiltonian für diese Verbindung aus Dichtefunktionsberechnungen extrahiert wurde. Die Theorie zeigte, dass der Hamiltonian keine langreichweitige magnetische Ordnung unterstützt - ein weiteres Schlüsselmerkmal einer Quanten-Spinflüssigkeit - und konnte das beobachtete Spektrum reproduzieren. Dreidimensionale Spinflüssigkeiten sind sehr selten, und aktuelle Beispiele beschränken sich meist auf die Pyrochlor- und Hyperkagome-Gitter. Unsere Ergebnisse demonstrieren einen neuen Typ von dreidimensionalen Kristallgittern, in denen isotropes Spinflüssigkeits-Verhalten möglich ist.

S. Chillal, Y. Iqbal, H. O. Jeschke, J. A. Rodriguez-Rivera, R. Bewley, P. Manuel, D. Khalyavin, P. Steffens, R. Thomale, A. T. M. N. Islam, J. Reuther, B. Lake,
Evidence for a three-dimensional quantum spin liquid in PbCuTe₂O₆,
Nat. Commun. 11, 2348 (2020)