Neue Erkenntnisse über magnetische Quanteneffekte in Festkörpern

Die Modellierung bezieht sich auf eine kubische Kristallstruktur (Pyrochlor-Gitter). Dabei wurden magnetische Wechselwirkungen nicht nur zwischen  nächsten Nachbarn einbezogen, sondern auch noch zu den übernächsten Nachbarn (siehe Zeichnung). © HZB

Mit einer neuen theoretischen Methode gelang es einer internationalen Kooperation erstmals, magnetische Quanteneffekte im bekannten 3D Pyrochlor-Heisenberg-Modell systematisch zu untersuchen. Überraschende Erkenntnis: nur bei kleinen Spinwerten bilden sich quantenphysikalische Phasen.

In kristallinen Festkörpern sind Atome oder Moleküle in einem regelmäßigen dreidimensionalen Gitter angeordnet. Dabei wechselwirken die Atome über verschiedene Kräfte miteinander, um einen Zustand minimaler Energie zu finden. Nahe dem absoluten Nullpunkt auf der Temperaturskala frieren die Gitterschwingungen ein, sodass Wechselwirkungen zwischen Elektronenspins dominieren. Ein besonders interessanter Fall tritt auf, wenn sich die Spins nicht alle gleichzeitig so ausrichten können, dass ein Zustand niedrigster Energie erreicht wird. So bildet sich ein frustriertes System, in dem die Spins nahezu ungeordnet sind und daher als Spinflüssigkeit bezeichnet werden.

Einfache kubische Kristallstruktur

Eines der führenden Modelle, um 3D frustrierte Quantenmagnete zu untersuchen, ist das Heisenberg-Modell auf einem Pyrochlor-Gitter, einer einfachen kubischen Kristallstruktur (siehe Abbildung). Dennoch war es bislang extrem schwierig, aus diesem theoretischen Modell Erkenntnisse für die Praxis, also für konkrete Materialien und Temperaturen, abzuleiten.

Verschiedene Spinwerte

Nun haben Teams aus Deutschland, Japan, Kanada, Australien und Indien gemeinsam mit Hilfe einer neuen theoretischen Methode dieses Modell systematisch untersucht und dabei einige dieser Schwierigkeiten gelöst. Damit ist es möglich, sowohl den Spinwert der Gitteratome als auch die Temperatur und weitere Wechselwirkungsparameter zu variieren und zu berechnen, in welchen Parameterbereichen neuartige magnetische Quanteneffekte auftreten. Die Berechnungen wurden am Leibniz Supercomputing Centre (LRZ) in München durchgeführt.

Quanteneffekte nur für kleine Spins

„Wir konnten zeigen, dass quantenphysikalische Effekte überraschenderweise nur in sehr begrenzten Parameterbereichen auftreten“, erläutert der theoretische Physiker Prof. Dr. Johannes Reuther vom HZB, Koautor der Studie. Beim kleinstmöglichen Spin mit dem Wert ½ sind solche Quanteneffekte am stärksten ausgeprägt. Spin-Systeme mit der untersuchten Kristallstruktur verhalten sich jedoch schon ab Spin-Werten von 1,5 nahezu klassisch.

Die vorliegende Arbeit vertieft das Verständnis von Festkörpern und trägt dazu bei, die Suche nach 3D-Spinflüssigkeiten in Quantenmaterialien systematisch voranzutreiben.

 

Die Arbeit ist Open Access publiziert in Physical Review X (2019): Quantum and Classical Phases of the Pyrochlore Heisenberg Model with Competing Interactions. Yasir Iqbal, Tobias Müller, Pratyay Ghosh, Michel J. P. Gingras, Harald O. Jeschke, Stephan Rachel, Johannes Reuther, and Ronny Thomale

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011005

                                                                                          

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011005

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