Neue Erkenntnisse über Quantenphänomene an Phasenübergängen

Quantenmaterialien: Verschränkung vieler Atome erstmals entdeckt

„Obwohl man solche speziellen Phasenübergänge seit über dreißig Jahren intensiv untersucht, dachte man bisher, dass das Phänomen der Quantenverschränkung nur bei sehr kleinen Längen- und Zeitskalen relevant ist“, erklärt Matthias Vojta, Professor für theoretische Festkörperphysik an der TUD. Bei dem von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern untersuchten Lithium-Holmium-Fluorid, LiHoF₄, konnte das Team nun zeigen, unter welchen Bedingungen sich die Quantenverschränkung auch auf viel größeren Maßstäben untersuchen lässt. “Wir haben eine ganz neue Art von Quantenphasenübergängen gefunden, bei denen die magnetischen Domänen eine entscheidende Rolle spielen.“

LiHoF₄ ist bei sehr tiefen Temperaturen ein Ferromagnet. Wird ein Magnetfeld mit sehr großer Stärke genau senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung angelegt, verschwindet der Ferromagnetismus oberhalb eines Quantenphasenübergangs komplett. Bekannt ist dies schon länger. Die Forschenden änderten nun zusätzlich die Richtung des Magnetfeldes. Andreas Wendl, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat, erklärt: „Für unsere Präzisionsmessungen haben wir Proben in Kugelform verwendet – so konnten wir das Verhalten bei kleiner Verdrehung des Magnetfelds genau studieren.“

Dabei machten die Forschenden eine überraschende Beobachtung. „Wir haben entdeckt, dass es immer noch einen Quantenphasenübergang gibt, obwohl man immer dachte, dass dieser Übergang bei einer superkleinen Verdrehung des Magnetfelds sofort verschwindet“, sagt Christian Pfleiderer, Professor für Experimentalphysik zur Topologie korrelierter Systeme an der TUM. Statt der erwarteten graduellen Änderung der Materialeigenschaften beobachtete das Team eine abrupte Änderung, das Kennzeichen eines Phasenübergangs.

Ursache dieser Übergänge sind laut den Forschenden die sogenannten Texturen. Als Texturen werden die groben Muster bezeichnet, nach denen sich die Teilchen in den Aggregatzuständen anordnen. Im Eis sind dies zueinander verkippte Kristallite, in Magneten die magnetischen Domänen, auch als Weisssche Bezirke bekannt. Bisher war unklar, ob Texturen für sich alleine Quantenphasenübergänge aufweisen können. Die Forschenden konnten dies nun zeigen, und damit gleichzeitig nachweisen, dass die Quantenverschränkung auch auf der Ebene der Texturen, also vieler Atome, stattfindet.

Die Forschenden erstellten aufgrund ihrer Daten ein neues theoretisches Modell. „Für unsere Berechnungen mussten wir das bereits bestehende mikroskopische Modell verallgemeinern, um die Verkippung des Magnetfelds berücksichtigen zu können“, erläutert Heike Eisenlohr. Sie führte die Berechnungen in Zusammenhang mit ihrer Doktorarbeit durch. „Als gänzlich neuen Aspekt haben wir dann auch noch die Rückkopplung der ferromagnetischen Domänen auf die mikroskopischen Eigenschaften berechnet.“

Wichtig ist die Entdeckung und das theoretische Modell über die neuen Quantenphasenübergänge unter anderem als Grundlage und allgemeine Referenz für die Untersuchung von Quantenphänomenen in Materialien. Aber auch für neue Anwendungen: „Verschränkung soll beispielsweise in Quantensensoren und Quantencomputer kontrolliert und genutzt werden“, sagt Vojta. Pfleiderer ergänzt: „Bei unserer Arbeit handelt es sich um Grundlagenforschung, die aber auch schnell unmittelbare Bedeutung für die Anwendung haben kann, wenn man die neu entdeckten Materialeigenschaften gezielt nutzt.“