Ein neues Material für Quanten-Spin-Flüssigkeiten

1973 schlug der Physiker und spätere Nobelpreisträger Philip W. Anderson einen bizarren Zustand der Materie vor: die Quantenspinflüssigkeit (QSL). Im Gegensatz zu den alltäglichen Flüssigkeiten, die wir kennen, hat die QSL tatsächlich mit Magnetismus zu tun – und Magnetismus hat mit Spin zu tun.

Ungeordneter Elektronenspin erzeugt QSLs

Was macht einen Magneten aus? Es war ein langjähriges Rätsel, aber heute wissen wir endlich, dass Magnetismus aus einer besonderen Eigenschaft subatomarer Teilchen, wie Elektronen, entsteht. Diese Eigenschaft wird als «Spin» bezeichnet, und die beste – wenn auch völlig unzureichende – Art und Weise, sie sich vorzustellen, ist wie ein Kreiselspielzeug für Kinder.

Wichtig für den Magnetismus ist, dass der Spin jedes einzelnen der Milliarden von Elektronen eines Materials in einen winzigen Magneten mit einer eigenen magnetischen «Richtung» verwandelt (man denke an den Nord- und Südpol eines Magneten). Aber die Elektronenspins sind nicht isoliert; sie interagieren auf unterschiedliche Weise miteinander, bis sie sich zu verschiedenen magnetischen Zuständen stabilisieren, wodurch das Material, zu dem sie gehören, magnetische Eigenschaften erhält.

In einem herkömmlichen Magneten stabilisieren sich die wechselwirkenden Spins, und die magnetischen Richtungen der einzelnen Elektronen richten sich aus. Dies führt zu einer stabilen Formation.

Aber in einem sogenannten «frustrierten» Magneten können sich die Elektronenspins nicht in der gleichen Richtung stabilisieren. Stattdessen fluktuieren sie ständig wie eine Flüssigkeit – daher der Name «Quanten-Spin-Flüssigkeit».

Quanten-Spin-Flüssigkeiten in Zukunftstechnologien

Das Spannende an QSLs ist, dass sie in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden können. Da es verschiedene Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt, können QSLs in Quantencomputern, in der Telekommunikation, in Supraleitern, in der Spintronik (eine Variante der Elektronik, die Elektronenspin anstelle von Strom verwendet) und in einer Vielzahl anderer quantenbasierter Technologien eingesetzt werden.

Doch bevor wir sie nutzen können, müssen wir zunächst ein solides Verständnis der QSL-Zustände gewinnen. Dazu müssen Wissenschaftlerinnen Wege finden, um QSLs auf Anfrage herzustellen – eine Aufgabe, die sich bisher als schwierig erwiesen hat, da nur wenige Materialien als QSL-Kandidaten angeboten werden.

Ein komplexes Material könnte ein komplexes Problem lösen

Bei der Veröffentlichung in PNAS haben Wissenschaftlerinnen und Wisenschaftler unter Leitung von Péter Szirmai und Bálint Náfrádi im Labor von László Forró an der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL erfolgreich eine QSL in einem sehr originellen Material namens EDT-BCO erstellt und untersucht. Das System wurde von der Gruppe von Patrick Batail an der Université d'Angers (CNRS) entworfen und synthetisiert.

Die Struktur von EDT-BCO macht es möglich, eine QSL zu erstellen. Die Elektronenspins im EDT-BCO bilden dreieckig organisierte Dimere, von denen jedes ein Spin-1/2 magnetisches Moment hat, was bedeutet, dass das Elektron zweimal vollständig rotieren muss, um in seine Ausgangskonfiguration zurückzukehren. Die Schichten der Spin-1/2-Dimere werden durch ein Untergitter aus Carboxylat-Anionen getrennt, das durch ein chirales Bicyclooktan zentriert wird. Die Anionen werden «Rotoren» genannt, weil sie konformative und rotatorische Freiheitsgrade besitzen.

Die einzigartige Rotorkomponente in einem magnetischen System macht das Material zu einer Besonderheit unter den QSL-Kandidaten, die eine neue Materialfamilie darstellen. «Die subtile Störung, die durch die Rotorkomponenten hervorgerufen wird, führt einen neuen Griff auf das Spinsystem ein», sagt Szirmai.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie ihre Mitarbeitenden setzten ein Arsenal von Methoden ein, um das EDT-BCO als Kandidat für ein QSL-Material zu untersuchen: Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie, Hochfrequenz-Elektronenspinresonanzmessungen (ein Markenzeichen des Forró-Labors), Kernspinresonanz und Myonspinspektroskopie. All diese Techniken untersuchen die magnetischen Eigenschaften von EDT-BCO aus verschiedenen Blickwinkeln.

Alle Techniken bestätigten das Fehlen einer magnetischen Fernordnung und die Entstehung einer QSL. Kurz gesagt, EDT-BCO reiht sich offiziell in die begrenzte Reihe der QSL-Materialien ein und bringt uns einen Schritt weiter in die nächste Generation von Technologien. Wie Bálint Náfrádi es ausdrückt: