Wichtiger Schritt zum Nachweis von Fraktonen in Quantenspinflüssigkeiten

Nachdem allgemeinere Eichfeldtheorien die Existenz von Fraktonen in Quantenspinflüssigkeiten bereits vorhergesagt haben, ist es einem Team des HZB gelungen diese Quasiteilchen auch in einem Quanten-Festkörpermodell nachzuweisen.

Exotische Materialphase als Informationsspeicher

Quasiteilchen entstehen durch das komplexe Zusammenspiel von vielen Teilchen in Festkörpern, z.B. beschreiben wir die Gitterschwingungen in Kristallen als Phononen. Fraktonen sind exotische Quasiteilchen, die an den Eckpunkten von magnetischen Domänenwänden zwischen unterschiedlichen Spinordnungen auftreten. Das Besondere an ihnen: Sie sind quasi unbeweglich und können nur durch den Einsatz weiterer Fraktonen versetzt werden. In der Theorie ließe sich diese eingeschränkte Beweglichkeit ausnutzen, um Quanteninformationen robust zu speichern.

Theoretische Physiker*innen postulieren die Existenz von Fraktonen in verschiedenen Systemen, z.B. in Quantenspinflüssigkeiten. Das sind exotische Materialzustände in Kristallen, bei dem die magnetischen Momente der Elektronen auch am absoluten Nullpunkt keine feste Ordnung annehmen, sondern wie Atome in einer Flüssigkeit ständig in Bewegung bleiben. 

Von Eichfeldtheorien zu Quanten-Festkörpermodellen

Die postulierten Fraktonen in einer Quantenspinflüssigkeit konnten bisher nicht experimentell beobachtet werden und auch ihre theoretische Vorhersage war nur innerhalb von sehr verallgemeinerten Eichfeldtheorien (Rang-2 U(1) Eichtheorien) möglich. Dem Team um Prof. Dr. Johannes Reuther und Dr. Nils Niggemann ist nun ein großer Schritt auf dem Weg zum experimentellen Nachweis gelungen, indem sie die theoretische Vorhersage auf ein realistischeres Festkörper-Modell übertragen haben.  

Im Gegensatz zu klassischen Modellen simulieren sie auch Quanteneffekte. Dies führte in vorherigen Veröffentlichungen jedoch zu enttäuschenden Ergebnissen. Die Quanteneffekte waren entweder in ihrer Wirkung zu stark oder zu schwach, sodass die Fraktonen entweder zerstört oder nur als klassische Teilchen ohne jegliche Quanteneigenschaften existieren konnten. Durch eine verbesserte Modellierung, unter anderem der Spin-Wechselwirkungen, konnte in numerischen Simulationen nun ein Nachweis für diese Materiephase erbracht werden.

Von der Theorie zum Experiment

„Bei der Modellierung dieser komplexen Spinwechselwirkung profitieren wir vom persönlichen Austausch mit HZB-Kollegen*innen aus der experimentellen Festkörperphysik“, so Johannes Reuther. Die nächste Herausforderung auf dem Weg zum experimentellen Nachweis besteht nun darin, reale Materialien zu entwickeln, die die Eigenschaften des theoretischen Modells widerspiegeln. Hier könnten Rydbergatom-Simulatoren interessante Kandidaten für die experimentelle Realisation eines Nachweisexperimentes sein.