Dynamik in 1D-Spinketten neu aufgeklärt
Die Daten aus der Neutronenstreuung (links) geben Auskunft über absorbierte Energien im reziproken Raum. Mit der neuen Auswertung war es möglich, Aussagen über neue magnetische Zustände und deren zeitliche Entwicklung im Realraum zu erhalten (rechts). Die Farben Blau und Rot kennzeichnen die beiden entgegengesetzten Spinrichtungen. © HZB
Die Neutronenstreuung gilt als die Methode der Wahl, um magnetische Strukturen und Anregungen in Quantenmaterialien zu untersuchen. Nun hat die Auswertung von Messdaten aus den 2000er Jahren mit neuen Methoden erstmals wesentlich tiefere Einblicke in ein Modellsystem - die 1D-Heisenberg-Spinketten - geliefert. Damit steht ein neuer Werkzeugkasten für die Erforschung zukünftiger Quantenmaterialien zur Verfügung.
Kalium-Kupfer-Fluorid KCuF3 gilt als das einfachste Modellmaterial für eine sogenannte Heisenberg-Quantenspinkette: Die Spins wechselwirken mit ihren Nachbarn antiferromagnetisch entlang einer einzigen Richtung (eindimensional) und unterliegen den Gesetzen der Quantenphysik.
"Wir haben die Messungen an diesem einfachen Modellsystem an der Spallationsneutronenquelle ISIS schon vor einiger Zeit durchgeführt, als ich noch Postdoc war", sagt Prof. Bella Lake, die das HZB-Institut Quantenphänomene in neuen Materialien leitet. "Unsere Ergebnisse, die wir 2005, 2013 und erneut 2021 veröffentlicht haben, haben wir jeweils mit neuen Theorien verglichen", sagt sie. Mit neuen und erweiterten Methoden ist es einem Team um Prof. Alan Tennant und Dr. Allen Scheie nun gelungen, deutlich tiefere Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen den Spins und deren räumliche und zeitliche Entwicklung zu gewinnen.
Mitreissende Spin-Dynamik
"Bei der Neutronenstreuung stößt man einen Spin so an, dass er umkippt. Dadurch entsteht eine Dynamik, ähnlich wie ein Kielwasser, wenn ein Schiff durch das Wasser fährt, das seine Nachbarn und deren Nachbarn beeinflussen kann", erklärt Tennant.
"Neutronenstreuungsdaten werden als Funktion der Energie und des Wellenvektors gemessen", sagt Scheie. "Unser Durchbruch bestand darin, die räumliche und zeitliche Entwicklung der Spins mit mathematischen Methoden wie der Back-Fourier-Transformation abzubilden." In Kombination mit anderen theoretischen Methoden erhielten die Physiker Informationen über die Wechselwirkungen zwischen den Spinzuständen und deren Dauer und Reichweite sowie Einblicke in die sogenannte Quantenkohärenz.
Neuer Werkzeugkasten
Die Arbeit bietet damit einen neuen Werkzeugkasten für die Analyse von Neutronenstreudaten, um das Verständnis von technologisch relevanten Quantenmaterialien zu vertiefen.
- CIGS-Perowskit-Tandemzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 25,5 %Ein Berliner Team aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Center for the Science of Materials Berlin (CSMB) an der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen neuen Rekord für eine Tandemsolarzelle aufgestellt. Durch die Kombination einer CIGS-Halbleiterschicht mit Perowskit gelang es ihnen, 25,5 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Der bisherige Rekord für diese Materialkombination und diese Zellgröße lag bei 24,6 %. Der neue Rekord wurde zertifiziert und ist in den Solar Cell Efficiency Tables (den „Green Tables“) zu finden, die als Nachschlagewerk für die weltweite Photovoltaik-Gemeinschaft gelten.
- Unordnung erzeugt neue Eigenschaften in VerbindungshalbleiternEin internationales Forschungsteam hat gezeigt, dass intrinsische Unordnung im Verbindungshalbleiter CuInSnS₄ genutzt werden kann, um dessen optische Eigenschaften zu beeinflussen. Optische Anregungen (Exzitonen) reagieren empfindlich auf die lokale Anordnung der Atome. Dabei zeigen sie überraschenderweise eine richtungsabhängige Reaktion, obwohl die durchschnittliche Kristallstruktur kubisch ist. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf den Zusammenhang zwischen Unordnung und Materialeigenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten für ein gezieltes „Unordnungs-Engineering“ in optoelektronischen und photokatalytischen Bauelementen.
- Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in BetriebEuropas erstes supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer an einer Röntgenquelle ist nun an BESSY II in Betrieb gegangen, entwickelt von Teams aus HZB, MPI-CEC (Mühlheim an der Ruhr, Deutschland) und NIST (Boulder CO, USA). Das neue Instrument ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter bei der Detektion von Photonen als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer und ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter atomarer und molekularer Proben zu untersuchen. Das BESSY-Team freut sich auf spannende Forschungsideen aus der Nutzerschaft!