Wasser und Quantenmagnete haben einen gemeinsamen kritischen Punkt

In der Physik existieren Dinge in «Phasen», wie z.B. fest, flüssig, gasförmig. Wenn etwas von einer Phase in eine andere übergeht, sprechen wir von einem «Phasenübergang» – denken Sie an Wasser, das zu Dampf kocht und von einer Flüssigkeit zu einem Gas wird.

In unseren Küchen kocht Wasser bei 100^o C, und seine Dichte ändert sich dramatisch, macht einen diskontinuierlichen Sprung von Flüssigkeit zu Gas. Erhöht man jedoch den Druck, steigt auch der Siedepunkt des Wassers, bis zu einem Druck von 221 Atmosphären, wo es bei 374^o C siedet. Hier geschieht etwas Seltsames: Flüssigkeit und Gas verschmelzen zu einer einzigen Phase. Oberhalb dieses «kritischen Punktes» gibt es überhaupt keinen Phasenübergang mehr, und so kann Wasser durch die Kontrolle seines Drucks von Flüssigkeit zu Gas gesteuert werden, ohne jemals einen solchen zu überschreiten.

Gibt es eine Quantenversion eines wasserähnlichen Phasenübergangs? «Die aktuellen Richtungen im Quantenmagnetismus und in der Spintronik erfordern hochgradig spinanisotrope Wechselwirkungen, um die Physik topologischer Phasen und geschützter Qubits zu erzeugen, aber diese Wechselwirkungen begünstigen auch diskontinuierliche Quantenphasenübergänge», sagt Professor Henrik Rønnow von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL.

Bisherige Studien haben sich auf glatte, kontinuierliche Phasenübergänge in quantenmagnetischen Materialien konzentriert. In einem gemeinsamen experimentellen und theoretischen Projekt unter der Leitung von Rønnow und Professor Frédéric Mila, ebenfalls von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften, haben Physikerinnen und Physiker der EPFL und des Paul-Scherrer-Instituts nun einen diskontinuierlichen Phasenübergang untersucht und dabei erstmals einen kritischen Punkt in einem Quantenmagneten, ähnlich dem von Wasser, beobachtet. Die Arbeit wurde in Nature veröffentlicht.

Die Forschenden verwendeten einen «Quanten-Antiferromagneten», der in der Fachwelt als SCBO bekannt ist (nach seiner chemischen Zusammensetzung: SrCu₂(BO₃₎₂). Quanten-Antiferromagnete sind besonders nützlich, um zu verstehen, wie die Quantenaspekte der Struktur eines Materials seine Gesamteigenschaften beeinflussen – zum Beispiel, wie die Spins seiner Elektronen interagieren, um seine magnetischen Eigenschaften zu erhalten. SCBO ist auch ein «frustrierter» Magnet, was bedeutet, dass seine Elektronenspins sich nicht in einer geordneten Struktur stabilisieren können und stattdessen einige einzigartige Quantenfluktuationszustände annehmen.

In einem komplexen Experiment kontrollierten die Forschenden sowohl den Druck als auch das Magnetfeld, das an Milligramm-Stücke von SCBO angelegt wurde: «Das erlaubte uns, rund um den diskontinuierlichen Quantenphasenübergang zu schauen und auf diese Weise fanden wir die Kritischer-Punkt-Physik in einem reinen Spin-System», sagt Rønnow.

Das Team führte hochpräzise Messungen der spezifischen Wärme von SCBO durch, die seine Bereitschaft zeigt, Energie «aufzusaugen». Wasser zum Beispiel absorbiert bei -10^o C nur kleine Mengen an Energie, aber bei 0^o C und 100^o C kann es riesige Mengen aufnehmen, da jedes Molekül durch die Übergänge von Eis zu Flüssigkeit und Flüssigkeit zu Gas getrieben wird. Genau wie bei Wasser bildet die Druck-Temperatur-Beziehung von SCBO ein Phasendiagramm, das eine diskontinuierliche Übergangslinie zeigt, die zwei quantenmagnetische Phasen trennt, wobei die Linie an einem kritischen Punkt endet.

«Wenn man nun ein Magnetfeld anlegt, wird das Problem reichhaltiger als bei Wasser», sagt Frédéric Mila: «Keine der beiden magnetischen Phasen wird durch ein kleines Feld stark beeinflusst, so dass die Linie zu einer Wand von Diskontinuitäten in einem dreidimensionalen Phasendiagramm wird – aber dann wird eine der Phasen instabil und das Feld hilft, sie in Richtung einer dritten Phase zu drücken.»

Um dieses makroskopische Quantenverhalten zu erklären, haben sich die Forschenden mit mehreren Kolleginnen und Kollegen zusammengetan, insbesondere mit Professor Philippe Corboz von der Universität Amsterdam, der leistungsstarke neue computerbasierte Techniken entwickelt hat.

«Bisher war es nicht möglich, die Eigenschaften von 'frustrierten' Quantenmagneten in einem realistischen zwei- oder dreidimensionalen Modell zu berechnen», sagt Mila. «SCBO ist also ein gutes Beispiel, bei dem die neuen numerischen Methoden auf die Realität treffen, um eine quantitative Erklärung für ein neues Phänomen im Quantenmagnetismus zu liefern.»

Henrik Rønnow schliesst: «In Zukunft wird die nächste Generation funktionaler Quantenmaterialien über diskontinuierliche Phasenübergänge geschaltet werden, so dass ein angemessenes Verständnis ihrer thermischen Eigenschaften sicherlich den kritischen Punkt einschliessen wird, dessen klassische Version der Wissenschaft seit zwei Jahrhunderten bekannt ist.»