Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie

Die Festkörperphysik vereint zwei wichtige Zweige wissenschaftlicher Forschung: Zum einen geht es um das Entdecken von Phänomenen – wie Magnetismus oder Supraleitung – welche die Grundlage moder­ner Technologien bilden, zum anderen um das Erkennen fundamentaler Prinzipien – wie Phasenübergänge oder Elementaranregungen – nach denen die uns umgebende Welt organisiert ist.

Topologie stellt eine junge und wichtige Erweiterung dieser Organisationsprinzipien dar: Es wurde gezeigt, dass Materialien globale Eigenschaften haben können, die nicht direkt lokal messbar sind. Magne­tismus hat eine entscheidende Rolle in diesen Entwicklungen gespielt, nicht zuletzt auch für  beide Teile des für die Anfänge topologischer Festkörperphysik vergebenen Physik-Nobelpreises 2016.

Monopole in Spin-Eis

Der Sonderforschungsbereich 1143 „Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie” widmet sich einer großen Klasse von Magneten, in denen konkurrierende, d.h. frustrierte, Wechselwirkungen die Ausbildung konventioneller magnetischer Ordnung verhindern. Sie führen stattdessen zu einer Vielzahl alternativer und nicht-trivialer Phänomene, die häufig topologischer Natur sind. Ziel des SFB ist es, Materialien zu identifizieren, herzustellen und zu verstehen, in denen solche Phänomene beobachtet werden können.

Dazu bündelt und kombiniert der SFB verschiedene Expertisen – die intuitive und computerbasierte Suche nach neuen und vielversprechenden chemischen Verbindungen, die Synthese und Charak­terisierung dieser Proben, die experimentelle Bestimmung ihrer wichtigen physikalischen Eigen­schaften sowie die Modellierung und Analyse der experimentellen Daten – mit dem Ziel eines vertieften Verständnisses von korreliertem Magnetismus.

Die Entwicklung des wissenschaftlichen Feldes hat die relevanten Fragestellungen verändert. Ursprüng­liche Fragen waren solche der Existenz: Kann ein Magnet im Prinzip eine Spinflüssigkeits­phase ohne konventionelle, aber mit topologischer, Ordnung realisieren? Mit der heutigen Gewissheit einer positiven Antwort können wir nach den ungewöhnlichen Eigenschaften einer solchen Phase fragen: Was sind ihre statischen und dynamischen Korrelationsfunktionen? Worin besteht die Natur ihrer Anregungen? Wie relaxiert sie ins Gleichgewicht? Welche ihrer Signaturen sind auch in benachbarten Phasen sichtbar?

Vor uns liegt ein Gebiet voller Überraschungen und unerwarteter Entdeckungen. Eines der faszinie­renden (und näherrückenden) Ziele ist die Realisierung einer nicht-Abelschen Quanten­spinflüssigkeit. Ihre Anregungen haben die Eigenschaft, bei räumlicher Vertauschung nicht nur einen Phasenfaktor zu erhalten (wie z.B. Fermionen), sondern ihre gesamte Natur zu ändern. Solche Teilchen sind beispielsweise die Grundlage für neue Anwendungen in der Quanten­informations-Technologie. In diesem Sinn waren und sind Grundlagenforschung und Funktionalität im Feld des Magnetismus eng benachbart. Unser SFB hat sich zum Ziel gesetzt, diese Tradition fortzusetzen.

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Letzte Änderung: 22.10.2018