Forscher in China, Frankreich und Australien haben neue Beweise für einen exotischen Quantenzustand der Materie gefunden, der als Spin-Supersolid bezeichnet wird. Die Entdeckung, die in einem antiferromagnetischen Material mit einer dreieckigen Atomgitterstruktur gemacht wurde, stellt einen Durchbruch in der Grundlagenphysik dar und könnte auch die Entwicklung neuer Kühltechniken unterstützen, die kein flüssiges Helium erfordern, da das Material auch einen riesigen magnetokalorischen Effekt zeigt.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Superfestkörpern um Materialien, die ohne Reibung fließen (wie eine Supraflüssigkeit), obwohl ihre Partikelbestandteile in einem Kristallgitter angeordnet sind (wie ein Festkörper). Als solche durchbrechen diese Materialien zwei kontinuierliche Symmetrien: Translationsinvarianz aufgrund der kristallinen Ordnung; und Dickensymmetrie aufgrund des reibungslosen Materialflusses.
Theoretiker sagten in den 1960er Jahren voraus, dass Superfestkörper in Quantenfestkörpern mit sogenannten mobilen bosonischen Leerstellen existieren sollten – das heißt Lücken, die zurückbleiben, wenn sich Atome mit ganzzahligen Spinwerten durch das Kristallgitter bewegen. Ab den 1980er Jahren konzentrierte sich die experimentelle Forschung auf Hinweise darauf, dass in superflüssigem Helium-4 Supersolidität auftreten könnte. Im Jahr 2004 berichteten Physiker der Pennsylvania State University in den USA über Hinweise auf Supersolidität in diesem Material. Allerdings weitere Untersuchungen durch dieselben Forscher offenbarte, dass sie sich geirrt hatten, und ihre Beobachtungen könnten sein auf andere Weise erklärt.
Neuere Experimente haben gezeigt, dass in eine Richtung verlängerte dipolare Quantengase einen Phasenübergang von einem regulären Bose-Einstein-Kondensat (BEC) in einen Zustand mit superfesten Eigenschaften durchlaufen können. Atome in dipolaren Gasen haben große magnetische Momente und es sind die Wechselwirkungen zwischen ihnen, die in diesen Systemen zur Supersolidität führen.
Beweisschichten
Forscher angeführt von Gang Su im Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Peking sagen nun, sie hätten das quantenmagnetische Analogon eines Superfestkörpers in einem kürzlich synthetisierten Antiferromagneten mit der chemischen Formel Na gefunden2BaCo(PO4)2. Diese als NBCP bekannte Verbindung weist auch einen riesigen magnetokalorischen Effekt auf, was bedeutet, dass sie sich dramatisch erwärmt und abkühlt, wenn ein externes Magnetfeld angelegt und entfernt wird.
Su und Kollegen Wei Li dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Institut für Theoretische Physik, CAS; Junsen Xiang und Peijie Sun von dem Institut für Physik, CASeschriebenen Art und Weise; und Wentao Jin at Beihang University führten ihre magnetokalorischen Messungen bei Temperaturen unter 1 K durch. Die hervorragende Übereinstimmung zwischen ihren experimentellen Daten und theoretischen Berechnungen superfester Quantenphasenübergänge half ihnen zu der Überzeugung, dass sie einen neuen Spin-Superfestkörper beobachteten.
Eine weitere Bestätigung lieferten mikroskopische Beweise, die sie durch die Durchführung von Neutronenbeugungsexperimenten an hochwertigen NBCP-Proben am erhielten Institut Laue-Langevin in Frankreich und die Australische Organisation für Nuklearwissenschaft und -technologie. „Die Beugungspeaks zeigten eine Drei-Untergitter-Ordnung in der Ebene, feste Ordnung und Inkommensurabilität in der Richtung außerhalb der Ebene“, sagt Su. „Letzteres kann mit der Existenz lückenloser Goldstone-Moden (einer Form der Symmetriebrechung in Bosonen) in Zusammenhang gebracht werden und unterstützt daher die Existenz von Spin-Superfluidität in der Verbindung.“
Ein neuer Quantenzustand der Materie und ein neuer Kühlmechanismus
Das CAS-Team entschied sich für die Untersuchung von NBCP, da es starke Spinfluktuationen bei niedriger Energie aufweist, was auf einen möglichen Quantenspin-Flüssigkeitszustand hinweist. Es ist auch ein Antiferromagnet, was bedeutet, dass seine Elektronenspins im Gegensatz zu herkömmlichen Ferromagneten, die parallele Elektronenspins haben, dazu neigen, antiparallel zueinander auszurichten. Diese Antiausrichtung führt zu starken Wechselwirkungen zwischen den Spins.
Nachdem eines der Teammitglieder vermutete, dass in NBCP ein Spin-Supersolid existieren könnte, fragten Li und Gang ihre experimentellen Kollegen Xiang, Jin und Sun, ob es möglich sei, in der Verbindung nach neuen Quantenspinzuständen zu suchen. „Sie haben es getan und den neuen Quantenzustand der Materie beobachtet, den Spin-Supersolid“, erinnert sich Li.
Die Entdeckung könnte nicht nur einen neuen Quantenzustand der Materie aufdecken, sondern auch zu neuen heliumfreien Kühlmethoden im Subkelvin-Bereich führen. Diese seien unter anderem für Materialwissenschaften, Quantentechnologie und Raumfahrtanwendungen sehr gefragt, erzählt Li Physik-Welt.
Supersolidität betritt eine zweite Dimension
Li erklärt, dass es derzeit hauptsächlich zwei Möglichkeiten gibt, Materialien auf Temperaturen von wenigen Kelvin abzukühlen. Die erste besteht darin, Helium zu verwenden, das bei Temperaturen unter 4.15 K flüssig wird. Die zweite besteht darin, den magnetokalorischen Effekt auszunutzen, bei dem bestimmte Materialien unter dem Einfluss eines angelegten Magnetfelds ihre Temperatur ändern. Beide Techniken haben ihre Nachteile: Helium ist knapp und daher teuer, während die spezielle Klasse von Verbindungen, die für die magnetokalorische Kühlung verwendet werden (bekannt als hydratisierte paramagnetische Salze), eine niedrige magnetische Entropiedichte, eine schlechte chemische Stabilität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Li behauptet jedoch, dass der riesige magnetokalorische Effekt im neu entdeckten Spin-Superfestkörper „diese Nachteile wirksam überwinden“ könnte, indem er kollektive Spinanregungen bei niedrigen Energien nutzt.
Auf der Suche nach anderen Spin-Supersoliden
Die Forscher versuchen nun, zusätzliche dynamische Beweise für die Spin-Supersolidität in NBCP zu erhalten. Zu diesem Zweck führen sie laut Jin Messungen der inelastischen Neutronenstreuung durch, um die Goldstone-Moden zu untersuchen, die mit der Spin-Supraflüssigkeitsordnung verbunden sind. Sie planen außerdem, Beugungsexperimente mit polarisierten Neutronen durchzuführen, um ihre Erkenntnisse weiter zu untermauern.
Schließlich untersucht das Team andere Dreiecksgitterverbindungen, um zusätzliche Spin-Supersolid-Zustände oder andere exotische Spin-Zustände zu identifizieren. „Auf diese Weise hoffen wir, die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene besser zu verstehen, die diese faszinierenden Quantenphasen der Materie entstehen lassen“, sagt Su.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/
