Ny indsigt i magnetiske kvanteeffekter i faste stoffer

Ved hjælp af en ny beregningsmetode, et internationalt samarbejde er for første gang lykkedes med systematisk at undersøge magnetiske kvanteeffekter i den velkendte 3-D pyrochlor Heisenberg-model. Det overraskende fund:Fysiske kvantefaser dannes kun for små spinværdier.

Atomer og molekyler i krystallinske faste stoffer er arrangeret i regulære tredimensionelle gitter. Atomerne interagerer med hinanden via forskellige kræfter, endelig når en tilstand af minimum energi. Tæt på det absolutte nul, gitteroscillationerne fryser, således at interaktioner mellem elektronspin dominerer. Et særligt interessant tilfælde opstår, når spins ikke alle kan justeres på samme tid for at nå en tilstand med laveste energi. Dette resulterer i et frustreret system, hvor spins er næsten fuldstændig uordnede og derfor omtales som en spin-væske.

Kubisk krystalstruktur

En af de førende modeller til at studere 3-D frustrerede kvantemagneter er Heisenberg-modellen på et pyrochlorgitter - en simpel kubisk krystalstruktur (se illustration). Alligevel, det har hidtil været ekstremt svært at udlede praktiske forudsigelser, for specifikke materialer og temperaturer, fra denne teoretiske model.

Hold fra Tyskland, Japan, Canada, og Indien har nu i fællesskab gennemført systematiske undersøgelser af denne model ved hjælp af en ny teoretisk metode og løst flere af disse vanskeligheder. Det er muligt med denne nye metode at variere spin-værdien af ​​gitteratomerne samt temperaturen og andre interaktionsparametre, og beregne de parameterområder, hvori nye magnetiske kvanteeffekter opstår. Beregningerne blev udført på Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i München.

Kvanteeffekter kun for små spins

"Vi var i stand til at vise, at kvantefysiske effekter overraskende kun forekommer over meget begrænsede parameterområder", forklarer teoretisk fysiker prof. Johannes Reuther fra HZB, medforfatter til undersøgelsen. Disse kvanteeffekter er mest udtalte ved det mindst mulige spin (spinværdi ½). Imidlertid, Spin-systemer i krystalstrukturen, der er undersøgt af holdene, opfører sig allerede næsten fuldstændig som klassiske fysiske systemer ved spin-værdier på 1,5 og derover.

Det offentliggjorte arbejde uddyber vores forståelse af faste stoffer og bidrager til den systematiske udvikling af søgningen efter 3-D spin-væsker i kvantematerialer.