Ordnung aus Quantenfluktuationen

Internationales Forscherteam beobachtet die Bildung eines bisher unbekannten Zustands in einer metallischen Verbindung

Am absoluten Temperaturnullpunkt bestimmen Quanten- statt thermische Fluktuationen die Physik, so dass neuartige Effekte in metallischen Systemen auftreten können. Einem internationalen Wissenschaftlerteam unter Mitarbeit von Forschern des Dresdner Max-Planck Instituts für chemische Physik fester Stoffe ist es jetzt gelungen, in extrem sauberen Einkristallen der metallischen Verbindung Sr3Ru2O7 einen neuartigen ferromagnetisch geordneten Zustand nachzuweisen. Diese Ordnung wird durch spezielle „quantenkritische Fluktuationen“ erzeugt, die in einem Magnetfeld bei extrem tiefen Temperaturen auftreten. Die Beobachtungen sind von grundlegender Bedeutung, da sie zu einem besseren Verständnis des komplexen Verhaltens stark wechselwirkender Quantensysteme beitragen und die Suche nach weiteren unbekannten Phasenzuständen motivieren. Noch ist völlig offen, in welchem Zusammenhang diese Entdeckung in Zukunft angewandt werden könnte (Science, 12. November 2004).

Exotische Phänomene in Festkörpern, wie der gebrochenzahlige Quanten-Hall-Effekt oder die unkonventionelle Supraleitung, kommen durch komplizierte Vielteilchen-Wechselwirkungen im Festkörper zustande, die sich nicht aus den unmittelbaren Eigenschaften ihrer atomaren Bausteine ableiten lassen und deren besseres Verständnis das Ziel vieler Forschergruppen weltweit ist.

Eine exzellente Möglichkeit hierfür bietet das Studium von Materialien in der Nähe des so genannten „quantenkritischen Punkts“: Dieser bezeichnet den Übergang einer Substanz am absoluten Temperaturnullpunkt zwischen zwei verschiedenen Grundzuständen. Dieser Übergang wird durch die gezielte Veränderung eines äußeren Parameters wie Druck oder Magnetfeld getrieben. Obwohl der absolute Nullpunkt prinzipiell unerreichbar ist, können die quantenkritischen Fluktuationen, also der ständige Wechsel zwischen beiden Grundzuständen – eine direkte Folge der Heisenbergschen Unschärfe – das Verhalten von Materialien auch schon weit oberhalb des Nullpunkts dominieren. So führt die Wechselwirkung der quantenkritischen Fluktuationen mit den Ladungsträgern in Metallen zu stark anomalem Verhalten.

Unter geeigneten Umständen können starke Quantenfluktuationen sogar zur Bildung von neuartigen Zuständen führen. So hat man für einige antiferromagnetisch geordnete metallische Verbindungen in Druckexperimenten nachgewiesen, dass in unmittelbarer Nähe zum quantenkritischen Punkt unkonventionelle Supraleitung auftritt. Man vermutet hierbei, dass die Quantenfluktuationen eine anziehende Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern vermitteln, die dann zur unkonventionellen Supraleitung führt. Dieser Zustand ist äußerst empfindlich gegenüber kleinsten Verunreinigungen und konnte daher nur in extrem sauberen Proben beobachtet werden.

Bislang wurde spekuliert, dass starke Quantenfluktuationen auch noch andere Formen von geordneten Zuständen bewirken könnten, insbesondere dann, wenn sie durch Magnetfelder erzeugt werden und damit die Supraleitung unterdrücken. Jetzt konnte das internationale Physikerteam diese Vermutung bei Untersuchungen an der metallischen Verbindung Sr3Ru2O7 erstmals experimentell bestätigen. In dieser Verbindung kann man Ferromagnetismus durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds induzieren – man spricht dann von „Metamagnetismus“, weil die ferromagnetische Ordnung erst bei Magnetfeldern auftritt, die einen gewissen Schwellenwert überschreiten. In Sr3Ru2O7 lässt sich die metamagnetische Übergangstemperatur kontinuierlich zum absoluten Nullpunkt unterdrücken, in dem man die Richtung des angelegten Magnetfelds verändert. Dies führt zu starken quantenkritischen Fluktuationen.

Für die Phasenbildung in der Nähe des quantenkritischen Punkts ist es notwendig, den Einfluss von Störungen im Kristallgitter zu minimieren. So tritt unkonventionelle Supraleitung in der Nähe eines antiferromagnetischen quantenkritischen Punkts nur in extrem sauberen Proben auf. Daher mussten die Forscher extrem reine Einkristalle der Substanz Sr3Ru2O7 herstellen. Dies gelang durch sukzessive Verbesserung der Einkristallzüchtung innerhalb der vergangenen vier Jahre in Kyoto/Japan. An ausgewählten Einkristallen wurde der elektrische Widerstand (in St. Andrews, Schottland), die Magnetisierung (Tokyo) und die magnetische Suszeptibilität (St. Andrews) sowie die Längenausdehnung im Magnetfeld (Dresden) untersucht. Alle Messergebnisse sind untereinander konsistent und belegen, dass in dem Material bei tiefen Temperaturen und unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ein neuartiger Zustand eintritt (vgl. Abbildung).

Weitere Experimente belegen, dass der neuartige Zustand eindeutig mit den Fluktuationen des zugrunde liegenden quantenkritischen Punkts verknüpft ist. Die genaue Natur des neuen Zustands ist noch nicht bekannt, doch die Experimente belegen, dass die Elektronen im Magnetfeld spontan polarisiert werden. Üblicherweise richtet sich die Polarisation der Elektronen nach der Symmetrie des zugrunde liegenden Kristallgitters – in diesem Fall eine 4-zählige Symmetrie in der Ebene senkrecht zum angelegten Feld. Doch die Experimente an Sr3Ru2O7 lassen nun erkennen, dass der neue Zustand eine reduzierte Symmetrie (nur noch 2-zählig) aufweist, die es einem größeren Anteil der Elektronen ermöglicht, sich nach dem äußeren Magnetfeld auszurichten.

Die Experimente der Dresdner Gruppe zeigen, dass dies – über eine starke magnetoelastische Kopplung – zu einer Verzerrung des Kristallgitters in dem Material führt. Ein solcher Symmetriebruch sollte energetisch ungünstig im Vergleich zum üblichen Ferromagnetismus sein. Was ist nun derart speziell an der Verbindung Sr3Ru2O7? Zum einen sind zur Bildung der neuen Phase starke Fluktuationen in den elektronischen Eigenschaften notwendig, wie sie hier durch den nahen metamagnetischen quantenkritischen Punkt hervorgerufen werden. Außerdem wird dieser Mechanismus schnell durch Verunreinigungen unterdrückt und kann daher nur in extrem sauberen Materialien beobachtet werden.

Diese Befunde zeigen, dass quantenkritische Fluktuationen in Stoffen dazu führen können, dass sich neue Arten von geordneten Zuständen ausbilden. Die Entdeckung des unbekannten Zustands ermöglicht ein besseres Verständnis der komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in einem Festkörper. Zudem motiviert sie die Suche nach weiteren derartigen Zuständen in der Nähe von quantenkritischen Punkten.

Originalveröffentlichung:

S.A. Grigera, P. Gegenwart, R.A. Borzi, F. Weickert, A.J. Schofield, R.S. Perry, T. Tayama, T. Sakakibara, Y. Maeno, A.G. Green, and A.P. Mackenzie, „Disorder-sensitive phase formation linked to metamagnetic quantum criticality“, Science, 12 November 2004

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Dr. Philipp Gegenwart
School of Physics and Astronomy
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