Quantenphysikalisch geschmolzen

Ob Wasser flüssig ist oder ein Festkörper in Form von Eis , hängt davon ab, welche von zwei Kräften in seinem Inneren die Oberhand gewinnt. Die eine ist die Bindungskraft zwischen den Wasserteilchen, die andere die Bewegung der Teilchen, die umso heftiger wird, je höher die Temperatur ist. Erwärmt man Eis über Null Grad Celsius, wird die Bewegung der Teilchen so stark, dass die chemische Bindung sie nicht mehr zusammenhalten kann – das Eis schmilzt. Es ändert sich der Aggregatzustand, oder wie Physiker sagen: Es kommt zu einem Phasenübergang. Ein vergleichbares Phänomen kann man in Magneten beobachten – erwärmt man einen Magneten, wird er unmagnetisch. Der Grund ist ähnlich: Man kann sich vorstellen, dass es im Inneren des Magneten viele winzige Stabmagnete gibt – Physiker sprechen von magnetischen Momenten. Wenn alle diese magnetischen Momente parallel ausgerichtet sind, ist das ganze Material magnetisch geordnet und wirkt wie ein Magnet. Für die Ausrichtung der Magnete sorgen Kräfte, die im Material zwischen den magnetischen Momenten wirken. Wird das Material erhitzt, schwankt die Richtung der Momente immer stärker bis die Kräfte diese nicht mehr ausrichten können und schliesslich die magnetische Ordnung verschwindet – sie ist gewissermassen geschmolzen.

Quantenphysikalische Aggregatzustände

Neben diesem klassischen, durch Temperaturänderungen ausgelösten Schmelzen gibt es in manchen Materialien noch ein vergleichbares, fundamentales Phänomen, das durch die Gesetze der Quantenphysik bestimmt wird. Die Quantenphysik bewirkt, dass man gewissen Eigenschaften von Teilchen in einem Material nicht genau kennen kann. Diese Unbestimmtheit bezeichnet man oft als Quantenfluktuationen. Die Bezeichnung lehnt sich an die oben beschriebenen klassischen Fluktuationen an, bei denen die Position von Teilchen oder die Ausrichtung von magnetischen Momenten mit der Zeit schwankt und deswegen im Mittel unbestimmt ist. Die Natur der beiden Arten von Fluktuationen ist aber jeweils völlig verschieden.

Das durch Quantenfluktuationen ausgelöste Schmelzen ist ein Beispiel für einen Quantenphasenübergang – das durch die Veränderungen der Quantenfluktuationen verursachte quantenphysikalische Analogon eines klassischen Phasenübergangs – also des Übergangs zwischen verschiedenen Aggregatzuständen. Solche Quantenphasenübergänge sind für viele interessante Phänomene der Festkörperphysik wichtig, wie zum Beispiel die Hochtemperatursupraleitung.

Herausforderung Quantenfluktuationen

Forschende des Paul Scherrer Instituts (Villigen, Schweiz) haben nun mit Kollegen am University College London, dem Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankreich), der Universität Bern und der Universität Renmin (Peking, China) die Wirkung der Quantenfluktuationen und ihr Zusammenspiel mit klassischen Fluktuationen in dem Material TlCuCl₃ genau untersucht. Dieses war an der Universität Bern hergestellt worden. Die besondere experimentelle Herausforderung dabei war, dass man die Quantenfluktuationen gezielt verändern musste. Die klassischen Fluktuationen zu ändern ist relativ einfach – man muss das Material abkühlen oder erwärmen. Um die Quantenfluktuationen in einem Material zu kontrollieren, muss man aber die Wechselwirkung zwischen den Momenten gezielt variieren. Die Forschenden nutzten die Tatsache, dass TlCuCl₃ relativ weich ist, so dass man mit äusserem Druck atomare Abstände und damit die Wechselwirkung innerhalb des Materials gut verändern kann. Im Experiment haben sie so über einen grossen Bereich Druck und Temperatur variiert und das Material mit Neutronen aus den Neutronenquellen des PSI und des ILL untersucht. So konnten sie genau bestimmen, wie sich die Zustände des Materials verändern.

Unordnung ist nicht gleich Unordnung

Die Forschenden haben die magnetische Ordnung in dem Material untersucht, also die Anordnung der magnetischen Momente. Bei niedrigem Druck sind die magnetischen Kräfte zwischen den magnetischen Momenten am schwächsten und die Quantenfluktuationen der magnetischen Momente am stärksten. Damit ist auch die Unordnung unter den magnetischen Momenten am grössten. Diese Unordnung sieht aber anders aus als in einem klassischen System. Dort sind die Richtungen der magnetischen Momente im unmagnetischen Zustand einfach zufällig verteilt, erklärt Christian Rüegg, Laborleiter am Paul Scherrer Institut und Leiter des Forschungsprojekts. Hier hingegen bilden zwei benachbarte Momente jeweils ein Paar, wobei die beiden Momente in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Paaren ist aber nicht stark genug, so dass keine Ordnung mit langer Reichweite entsteht. Innerhalb des Paares sind die Momente aber genau entgegengesetzt. Dabei ist nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht festgelegt, welches der Momente eines Paares in welche Richtung weist. Dieses vollständige Unwissen über die Ausrichtung der einzelnen Momente spiegelt sich in der maximalen Quantenfluktuation wider. Erhöht man nun den Druck, rücken die magnetischen Momente zusammen, so dass die Momente aus benachbarten Paaren einander stärker spüren und allmählich eine langreichweitige Ordnung entsteht – es kommt zum Quantenphasenübergang.

Quantendynamik der magnetischen Momente

In ihrem Experiment haben sich die Forscher vor allem für die magnetischen Anregungen im Inneren des Materials interessiert, die sehr präzise Informationen zu den Quantenzuständen der Momente liefern können. Solche Anregungen kann man sich als gemeinsame, koordinierte Schwingung der magnetischen Momente vorstellen, ähnlich einer Wasserwelle oder der Schwingung einer Gitarrensaite. Die Anregungen hängen wieder mit der Unordnung im Material zusammen, denn je mehr Anregungen man hat, umso stärker bewegen sich die magnetischen Momente. Die Quantenphysik schreibt vor, dass die Anregungen in TlCuCl₃ eine Mindeststärke haben müssen und auch nur in festgelegten Stufen stärker werden können. Wie stark die Mindestenergie einer bestimmten Anregung ist, also wie leicht diese angestossen werden kann, hängt von den Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten ab – in diesem Experiment also vom Druck, der auf die Probe ausgeübt wird. Die Forschenden haben in ihrem Experiment gezeigt, dass bei starkem Druck manche Anregungen so hohe Energien brauchen, dass sie praktisch gar nicht vorkommen. Senkt man den Druck und nähert sich dem Wert, bei dem es zum Quantenphasenübergang kommt, so nimmt die Energie ab, die für die Anregungen nötig ist, und immer mehr verschiedene Anregungen können beobachtet werden. Darunter sind auch solche, die mathematisch wie das Higgs-Boson der Elementarteilchenphysik zu beschreiben sind, sodass man von Higgs-Teilchen im Festkörper sprechen kann. Rüegg erklärt: Wir waren sehr erstaunt, dass diese Anregungen eine wichtige Rolle spielen, unabhängig davon ob die Ordnung nun durch quantenmechanische oder klassische Fluktuationen zerstört wird. Das ist eine faszinierende Eigenschaft von Quantenphasenübergängen.

Neutronen zeigen Anregungen

Die Untersuchungen haben die Forschenden mithilfe von Neutronen an den Neutronenquellen des Paul Scherrer Instituts und des Institut Laue-Langevin durchgeführt. In Ihren Experimenten haben sie einen Strahl von Neutronen durch eine Probe des Materials geschickt und beobachtet, wie sich Flugrichtung und Geschwindigkeit der Neutronen auf dem Weg durch die Probe verändert haben. So konnten sie die magnetische Ordnung und die Anregungen in dem Material untersuchen. Um die Anregungen auszumessen, beobachten sie, wie sich die Geschwindigkeit und damit die Bewegungsenergie der Neutronen auf dem Weg durch die Probe ändert. Ist das Neutron langsamer als vorher, muss es seine Energie in der Probe verloren haben, indem es dort eine Anregung angestossen hat. Diese Fluktuationen können nur mit Neutronen beobachtet werden und es ist entscheidend, dass man die Möglichkeit hat, die Proben bei verschiedenen Werten von Druck und Temperatur zu untersuchten, erklärt Martin Boehm, der am ILL die Messungen betreut hat. Dabei profitieren wir von einer Besonderheit der Neutronen: Sie können quasi ungestört durch die Wände der Druckzelle fliegen, in der sich die Probe während der Messung befindet.

Ein neues Modellmaterial

Am Material TlCuCl₃ lassen sich solche spektroskopischen Experimente zum ersten Mal durchführen, weil es relativ weich ist und man deswegen die Abstände und Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten gut mithilfe von äusserem Druck verändern kann, erklärt Rüegg. Bei anderen Materialien braucht man einen viel stärkeren Druck, den man aber nur bei sehr kleinen Proben einsetzen kann, sodass diese dann für spektroskopische Experimente mit Neutronen zu klein sind. Alternativ kann man versuchen verschiedene Proben herzustellen, die in ihrer Struktur ein wenig variieren. Aber so erhält man keinen vollständigen Überblick über das Verhalten und die Versuche würden sehr lange dauern.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Über das Institut Laue-Langevin (ILL)

Das Institut Laue-Langevin (ILL) ist ein internationales Forschungszentrum im französischen Grenoble. Seit den ersten Experimenten im Jahr 1972 ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuungsforschung und -technologie. Das ILL betreibt eine der stärksten Neutronenquellen der Welt, von der Neutronenstrahlen zu 40 hochkomplexen Instrumenten geleitet werden, die ständig modernisiert und verbessert werden. Jährlich besuchen 1.200 Wissenschaftler aus mehr als 40 Ländern das ILL, um Forschungsarbeiten auf den Gebieten Physik der kondensierten Materie, (grüne) Chemie, Biologie, Kern- und Teilchenphysik sowie Materialwissenschaft durchzuführen. Deutschland, Frankreich und Grossbritannien sind Partner und Hauptgeldgeber des ILL.