Zukünftige Informationstechnologien: Dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit entdeckt
Zwei der vier magnetischen Wechselwirkungen bilden ein neues dreidimensionales Netz aus Dreiecken mit gemeinsamen Ecken, das als Hyper-Hyperkagome-Gitter bekannt ist und zu dem Quanten-Spin-Flüssigkeitsverhalten in PbCuTe2O6 führt. © HZB
Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind Kandidaten für den Einsatz in zukünftigen Informationstechnologien. Bisher sind Quanten-Spin-Flüssigkeiten meist nur in ein- oder zweidimensionalen magnetischen Systemen zu finden. Nun hat eine internationale Kooperation unter der Leitung eines HZB-Teams Kristalle aus PbCuTe2O6 mit Neutronenexperimenten untersucht. Sie fanden Spin-Flüssigkeits-Verhalten in drei Dimensionen, bedingt durch ein sogenanntes Hyper-Hyperkagome-Gitter. Die experimentellen Daten passen sehr gut zu theoretischen Simulationen, die am HZB durchgeführt wurden.
IT-Bauelemente basieren heute auf elektronischen Prozessen in Halbleitern. Der nächste wirkliche Durchbruch könnte darin bestehen, dass andere Quantenphänomene genutzt werden, zum Beispiel Wechselwirkungen zwischen winzigen magnetischen Momenten im Material, den Spins. So genannte Quanten-Spin-Flüssigkeitsmaterialien könnten Kandidaten für solche neuen Technologien sein. Sie unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen magnetischen Materialien, da Quantenfluktuationen die magnetischen Wechselwirkungen dominieren: Aufgrund geometrischer Zwänge im Kristallgitter können Spins nicht alle zusammen in einem Grundzustand "einfrieren" - sie sind gezwungen zu fluktuieren, selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Seltenes Quantenphänomen
Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind selten und wurden bisher vorwiegend in zweidimensionalen magnetischen Systemen gefunden. Dreidimensionale isotrope Spinflüssigkeiten werden meist in Materialien gesucht, bei denen die magnetischen Ionen Pyrochlor- oder Hyperkagome-Gitter bilden. Ein internationales Team unter der Leitung der HZB-Physikerin Prof. Bella Lake erforschte nun Proben von PbCuTe2O6. Sie besitzen ein dreidimensionales Gitter, das als Hyper-Hyperkagome-Gitter bezeichnet wird.
Theoretische Modellierung der magnetischen Wechselwirkungen
HZB-Physiker Prof. Johannes Reuther berechnete mit theoretischen Modellen das Verhalten eines solchen dreidimensionalen Hyper-Hyperkagome-Gitters mit vier magnetischen Wechselwirkungen. Diese Betrachtungen zeigten, dass das System Quanten-Spin-Flüssigkeitsverhalten mit einem spezifischen magnetischen Energiespektrum aufweist.
Neutronenexperimente zeigen 3D-Quantenspinflüssigkeitsverhalten
Mit Neutronenexperimenten am ISIS, UK, ILL, Frankreich und NIST, USA konnte das Team die sehr subtilen Signale dieses vorhergesagten Verhaltens nachweisen. „Wir waren überrascht, wie gut unsere Daten zu den Berechnungen passen. Das gibt uns die Hoffnung, dass wir wirklich verstehen können, was in diesen Systemen geschieht", erklärt Erstautorin Dr. Shravani Chillal, HZB.
- Grüner Wasserstoff: MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung geeignetDie Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.
- SpinMagIC: EPR auf einem Chip sichert Qualität von Olivenöl und BierBevor Lebensmittel verderben bilden sich meist bestimmte reaktionsfreudige Moleküle, sogenannte freie Radikale. Bisher war der Nachweis dieser Moleküle für Lebensmittelunternehmen sehr kostspielig. Ein Team aus HZB und Universität Stuttgart hat nun einen tragbaren und kostengünstigen „EPR-on-a-Chip“-Sensor entwickelt, der freie Radikale auch in geringsten Konzentrationen nachweisen kann. Nun bereitet das Team die Gründung eines Spin-off-Unternehmens vor, gefördert durch das EXIST-Forschungstransferprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Der EPRoC-Sensor soll zunächst bei der Herstellung von Olivenöl und Bier eingesetzt werden, um die Qualität dieser Produkte zu sichern.
- Trillium-Gitter in Langbeiniten ermöglicht QuantenphänomenIn der Materialklasse der Langbeinite wurde eine 3D-Quantenspinflüssigkeit entdeckt. Gründe für dieses ungewöhnliche Verhalten liegen in der kristallinen Struktur und den dadurch bedingten besonderen magnetischen Wechselwirkungen. Dies hat nun ein internationales Team durch Experimente an der Neutronenquelle ISIS und theoretische Modellierungen an einer Nickel-Langbeinit-Probe gezeigt.