© Daniel Peter/ct.qmat

Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt. Doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen vollkommen neuen Typ solcher Phasen­übergänge entdeckt. Dort tritt das Phänomen der Quantenverschränkung von vielen Atomen auf - bisher wurde das nur im Bereich weniger Atome beobachtet. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Neues Fell für die Quantenkatze

In der Physik ist Schrödingers Katze ein Sinnbild für zwei der erstaunlichsten Effekte der Quantenmechanik: Verschränkung und Überlagerung. Forschende aus Dresden und München haben diese Phänomene jetzt auf sehr viel größeren Skalen gefunden als nur im Bereich der kleinsten Teilchen. Bisher war bekannt, dass es in Materialien wie z.B. Magneten sogenannte Domänen gibt, also Inseln, in denen die Materialeigenschaften jeweils gleich sind (sinnbildlich schwarz oder weiß). Die Physiker haben in Lithium-Holmium-Fluorid (LiHoF₄) nun einen vollkommen neuen Phasenübergang entdeckt, bei dem sich die Domänen überraschenderweise quantenphysikalisch verhalten, mit verschränkten Eigenschaften (also zugleich schwarz und weiß). „Unsere Quantenkatze hat ein neues Fell bekommen, weil wir in LiHoF₄ einen Quantenphasenübergang entdeckt haben, den die Wissenschaft vorher nicht kannte“, kommentiert Matthias Vojta, Professor für Theoretische Festkörperphysik an der TUD.

Phasenübergänge und Verschränkung

Dass sich die Eigenschaften einer Substanz spontan ändern, kann man am Beispiel von Wasser leicht verstehen. Bei 100°C verdampft es, bei 0°C bildet sich Eis. In beiden Fällen entstehen die neuen Aggregatzustände an einem Phasenübergang, an dem sich die Wassermoleküle neu anordnen und so den Charakter der Substanz ändern. Eigenschaften wie Magnetismus oder Supraleitung entstehen ebenfalls durch Phasenübergänge, nämlich von Elektronen in Kristallen. Finden Phasenübergänge bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt bei -273,15°C statt, werden Effekte der Quantenmechanik – wie Verschränkung – wichtig, und man spricht von Quantenphasenübergängen. „Obwohl man solche Phasenübergänge in Quantenmaterialien seit über dreißig Jahren intensiv untersucht, dachte man bisher, dass das Phänomen der Verschränkung nur im mikroskopischen Bereich weniger Atome relevant ist“, erläutert Christian Pfleiderer, Professor für Experimentalphysik zur Topologie korrelierter Systeme an der TUM.

Quantenmechanische Verschränkung gehört zu den verblüffendsten Phänomenen der Physik. Dabei befinden sich mehrere Teilchen in einem gemeinsamen Überlagerungs­zustand, in dem verschiedene sich eigentlich ausschließende Eigenschaften (z.B. schwarz und weiß) gleichzeitig vorkommen. Normalerweise gelten die Gesetze der Quantenphysik nur für den Bereich der kleinsten Teilchen. Das Forschungsteam aus München und Dresden hat Effekte der Teilchenverschränkung nun auf einer sehr viel größeren Skala gefunden – im Bereich mehrerer tausend Atome. Dafür haben sie ganz bewusst ein Material untersucht, das schon lange bekannt ist.

Proben in Kugelform ermöglichen exakte Messungen

LiHoF₄ ist bei sehr tiefen Temperaturen ein Ferromagnet, in dem alle magnetischen Momente spontan entlang derselben Richtung zeigen. Wird nun ein Magnetfeld genau senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung angelegt, kommt es zu Richtungswechseln der Momente – man spricht von Fluktuationen. Mit zunehmender Feldstärke werden diese Fluktuationen immer stärker, bis der Ferromagnetismus schließlich an einem Quantenphasenübergang komplett verschwindet. Dabei werden benachbarte Momente miteinander verschränkt. „Wenn man also eine LiHoF₄-Materialprobe an einen superstarken Magneten hält, ist sie plötzlich nicht mehr spontan magnetisch. Das ist schon seit 25 Jahren bekannt“, vereinfacht Vojta.

Neu ist nun was passiert, wenn man die Richtung des Magnetfelds ändert. „Wir haben entdeckt, dass es immer noch einen Quantenphasenübergang gibt, obwohl man immer dachte, dass selbst eine superkleine Verdrehung des Magnetfelds den Übergang sofort unterdrückt“ erklärt Pfleiderer. Allerdings sind es hier nicht mehr einzelne Momente, sondern ausgedehnte magnetische Bereiche, die den Quantenphasenübergang ausmachen, fanden die WissenschaftlerInnen heraus: ferromagnetische Domänen – ganze Inseln von gleich ausgerichteten magnetischen Momenten. Andreas Wendl, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat, ergänzt: „Für unsere Präzisionsmessungen haben wir Proben in Kugelform verwendet – nur so konnten wir das Verhalten bei kleiner Verdrehung des Magnetfelds genau studieren“.

Von fundamentaler Quantenphysik zu Anwendungen

“Wir haben eine ganz neue Art von Quantenphasenübergängen gefunden, wo Verschränkung im Bereich von vielen tausend Atomen anstatt im Mikrokosmos von nur wenigen Atomen auftritt“ erklärt Vojta. „Stellt man sich die magnetischen Domänen als ein schwarz-weißes Muster vor, dann werden an diesem neuen Phasenübergang entweder die schwarzen oder die weißen Bereiche unendlich klein – bilden also ein Quantenmuster – bevor sie sich auflösen.“ Die experimentellen Daten können mit einem neu entwickelten theoretischen Modell sehr gut erklärt werden. „Für unsere Berechnungen haben wir bekannte mikroskopische Modelle verallgemeinert und dann auch die Rückkopplung der großen ferromagnetischen Domänen auf die mikroskopischen Eigenschaften berechnet“ erläutert Heike Eisenlohr, die die Berechnungen als Teil ihrer Doktorarbeit durchgeführt hat.

Wichtig sind die Entdeckung und Modellierung der neuen Phasenübergänge unter anderem als Grundlage und allgemeine Referenz für die Untersuchung von Quantenphänomenen in Materialien. Aber auch für neue Anwendungen: „Verschränkung soll beispielsweise in Quantensensoren und Quantencomputern kontrolliert und genutzt werden“ sagt Vojta. Pfleiderer ergänzt: „Bei unserer Arbeit handelt es sich um Grundlagenforschung, die aber auch schnell unmittelbare Bedeutung für die Anwendung haben kann, wenn man die neu entdeckten Materialeigenschaften gezielt nutzt“.

Publikation:
Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet
Andreas Wendl, Heike Eisenlohr, Felix Rucker, Christopher Duvinage, Markus Kleinhans, Matthias Vojta & Christian Pfleiderer,
Nature 609, 65–70 (2022) https://www.nature.com/articles/s41586-022-04995-5

Mehr Informationen:
Die Arbeiten wurden gefördert durch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder im Rahmen des Würzburg-Dresden Exzellenzclusters Complexity and Topology in Quantum Matter (ct.qmat) und des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). Die Arbeiten wurden zudem gefördert durch den European Research Council (ERC) im Rahmen der Advanced Grant ExQuiSid und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsbereiche 1143 und  TRR80.

Kontakt:
Prof. Matthias Vojta
Technische Universität Dresden
Professur für Theoretische Festkörperphysik
Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter
Co-Sprecher
Tel: +49 351 463-34135

www.tu-dresden.de