Festkörperphysik: Vorhersage der Quantenphysik experimentell nachgewiesen

Vor 90 Jahren postulierte der Physiker Hans Bethe, dass in bestimmten magnetischen Festkörpern ungewöhnliche Muster auftreten. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, solche Bethe-Strings erstmals experimentell nachzuweisen. Sie führten Neutronenstreuexperimente an verschiedenen Neutronenquellen durch, darunter auch Messungen am einzigartigen Hochfeldmagneten des BER II* am HZB. Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage von Bethe und beweisen einmal mehr die Leistungsfähigkeit der Quantenphysik.

Die regelmäßige Anordnung der Atome in einem Kristall ermöglicht komplexe Wechselwirkungen, die zu neuen Materiezuständen führen können. So gibt es auch Kristalle, die zwar räumlich dreidimensional sind, aber nur entlang einer Richtung magnetische Wechselwirkungen aufweisen, so dass sie magnetisch eindimensional sind. Zeigen aufeinanderfolgende magnetische Momente in entgegengesetzte Richtungen, dann haben wir es mit einem eindimensionalen Antiferromagneten zu tun. Hans Bethe beschrieb dieses System erstmals 1931 theoretisch. Dabei folgerte er aus seiner Modellierung auch, dass es möglich sein müsse, durch Energiezufuhr auch Ketten von zwei oder mehr magnetischen Momenten zu erzeugen, die in eine Richtung zeigen. Diese Ketten nannte man Bethe-Strings.

Experimenteller Nachweis von Bethe-Strings

Diese Bethe-Strings lassen sich unter „normalen“ Bedingungen nicht beobachten, sie sind instabil und werden durch andere Merkmale des Systems verdeckt. Nun gelang es einer internationalen Kooperation um die HZB-Physikerin Prof. Bella Lake, durch Anlegen eines starken äußeren Magnetfeldes diese Bethe-Strings zu isolieren und experimentell sichtbar zu machen.

1D-Antiferromagnet untersucht

Zunächst stellte ein Experte aus dem Lake-Team Kristalle aus SrCo₂V₂O₈ her, einem eindimensionalen Antiferromagnetikum, das als Modellsystem dient. Nur die Kobaltatome haben magnetische Momente, sie richten sich alle nur entlang einer Kristallachse aus, wobei sich benachbarte Momente gegenseitig aufheben.

Messungen am Hochfeldmagnet am BER II

An der Berliner Neutronenquelle BER II konnte die Probe mit Neutronen unter extrem hohen Magnetfeldern bis zu 25,9 Tesla untersucht werden. Aus den Daten erhielten die Physiker ein Phasendiagramm der Probe als Funktion des Magnetfeldes sowie weitere Informationen über die inneren magnetischen Muster. Diese konnten sie mit den Voraussagen von Bethe vergleichen, die von einer theoretischen Gruppe unter der Leitung von Jianda Wu quantifiziert wurden.

Experimentelle Daten passen gut zur Theorie

"Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der Theorie", sagt Bella Lake. "Wir konnten zwei und sogar drei Ketten von Bethe-Strings eindeutig identifizieren und ihre Energieabhängigkeit bestimmen. Diese Ergebnisse zeigen uns einmal mehr, wie gut Quantenphysik experimentelle Ergebnisse erklären kann."

Nature Physics (2020): Dispersions of Many-Body Bethe Strings Anup Kumar Bera, Jianda Wu, Wang Yang, Robert Bewley, Martin Boehm, Jianhui Xu, Maciej Bartkowiak, Oleksandr Prokhnenko, Bastian Klemke, A. T. M. Nazmul Islam, Joseph Mathew Law, Zhe Wang and Bella Lake

DOI: 10.1038/s41567-020-0835-7

* Die Berliner Neutronenquelle wurde im Dezember nach 46 Jahren erfolgreichen Betriebs 2019 planmäßig abgeschaltet. Bis dahin wurde die Messzeit optimal für die Forschung genutzt.