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Die Quanten-Schwelle zum Magnetismus

Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien untersucht überraschende elektronische Materialeigenschaften an Quanten-Phasenübergängen. Für TheoretikerInnen sind die Ergebnisse vorerst noch ein großes Rätsel – die Messungen könnten aber helfen, die Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung weiterzuentwickeln.

Prof. Silke Bühler Paschen

Prof. Silke Bühler Paschen

Prof. Silke Bühler Paschen

Prof. Silke Bühler Paschen

Phasendiagramm eines Quantenphasenüberganges: Die Breite des Überganges wächst mit steigender Temperatur

Phasendiagramm eines Quantenphasenüberganges: Die Breite des Überganges wächst mit steigender Temperatur

Phasendiagramm eines Quantenphasenüberganges: Die Breite des Überganges wächst mit steigender Temperatur

Phasendiagramm eines Quantenphasenüberganges: Die Breite des Überganges wächst mit steigender Temperatur

Phasenübergänge kennen wir alle: Wenn etwa Wasser bei null Grad gefriert oder bei hundert Grad verdampft, ändern sich seine Eigenschaften dramatisch und sehr abrupt. Phasenübergänge müssen aber nicht immer mit Temperaturänderungen einhergehen. In der Festkörperphysik spielen heute „Quantenphasenübergänge“ eine wichtige Rolle, die am absoluten Temperatur-Nullpunkt (bei minus 273,15°C) stattfinden. Nicht durch eine Erwärmung, sondern durch Veränderung anderer physikalischer Größen, zum Beispiel des Magnetfeldes, wird dort bei manchen Materialien ein Phasenübergang sichtbar. Untersuchungen dieses Phänomens sind nicht nur dafür wichtig, das Verhalten von verschiedenen Materialien bei extrem tiefen Temperaturen zu verstehen, Forscherinnen und Forscher hoffen auch, durch solchen Untersuchungen letztendlich die Geheimnisse der Hochtemperatur-Supraleitung zu entschlüsseln.

Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien untersucht mit ihren Kolleginnen und Kollegen aus Deutschland und den USA eine Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silicium, die bekanntermaßen einen Quantenphasenübergang aufweist: Legt man ein schwaches magnetisches Feld an, so wechselt die Ytterbium-Verbindung ihre inneren magnetischen Eigenschaften (von antiferromagnetisch auf paramagnetisch). „Den Effekt, den wir messen, theoretisch zu erklären, ist sehr schwer“, meint Prof. Bühler-Paschen. „Nachdem bei solchen Quantenprozessen sehr viele Teilchen gleichzeitig beteiligt sind, ist es nicht möglich, ihr Verhalten exakt zu berechnen.“ Zwar gibt es theoretische Modelle, die das Quantenverhalten näherungsweise beschreiben, doch immer noch stößt man bei Experimenten auf Phänomene, die aufgrund der bestehenden Theorien nicht erklärt werden können.

Unordnung durch Magnetfelder

Bei sehr geringen Temperaturen und schwachen Magnetfeldern ist das Material antiferromagnetisch – es liegt also in einem sehr geordneten Zustand vor, auf mikroskopischer Ebene bilden die magnetischen Momente des Materials ein regelmäßiges Muster. „Dafür verantwortlich sind nicht die Elektronen des Materials, sondern ein Loch – eine Stelle im Material, an der kein Elektron sitzt“, erklärt Prof. Bühler-Paschen. „Dieses Loch  ist stark and das Ytterbium-Atom gebunden und trägt ein magnetisches Moment“. Legt man ein Magnetfeld an, ordnen sich schließlich Elektronen (die ebenfalls ein magnetisches Moment haben) so rund um das Loch an, dass seine magnetische Wirkung abgeschirmt wird (das ist der sogenannte Kondo-Effekt) – und dadurch geht die magnetische Ordnung verloren.

Im Bereich des magnetischen Quantenphasenüberganges wurden nun nicht nur magnetische Eigenschaften des Materials untersucht, sondern es wurde zusätzlich (anhand des sogenannten Hall-Effektes) auch gemessen, in welchem Ausmaß sich die Elektronen frei bewegen und so zum Stromfluss beitragen können. Dabei wird ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den magnetischen Eigenschaften und dem Stromfluss sichtbar: Wenn das Loch bzw. dessen magnetisches Moment, das für den Antiferromagnetismus verantwortlich ist, von umgebenden Elektronen abgeschirmt wird, sorgt es zwar nicht mehr für die mikroskopische magnetische Ordnung, aber es kann seinerseits durch das Material wandern und so zum elektrischen Stromfluss beitragen – ähnlich wie ein einfaches Elektron. Dadurch ergibt sich in der Nähe des Phasenüberganges von antiferromagnetisch auf paramagnetisch auch eine dramatische Änderung des Stromflusses.

Überraschende Skalenverhalten mit steigender Temperatur


„Am absoluten Nullpunkt, bei null Grad Kelvin, geht diese Änderung abrupt vor sich, bei einer ganz bestimmten Stärke des Magnetfeldes“, erklärt Bühler-Paschen. Allerdings kann man den Nullpunkt im Experiment niemals ganz erreichen. Bei geringfügig höheren Temperaturen ist der Übergang etwas breiter – der Effekt wird ab einer gewissen Magnetfeldstärke sichtbar und steigt mit weiter zunehmendem Magnetfeld noch an.  Wie abrupt oder wie „verwaschen“ dieser quantenphysikalische Übergang ist, spielt für die Theorien der Quanten-Phasenübergänge eine große Rolle. „Wir messen eindeutig einen linearen Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Breite dieses Überganges“, berichtet Prof. Bühler-Paschen. Doppelte Temperatur bedeutet also doppelt so breiter Phasen-Übergang. Dieser einfache Zusammenhang ist sehr überraschend, weil er mit bisherigen Theorien nicht erklärt werden kann. Das Skalierungsverhalten der Übergangs-Breite mit der Temperatur wird es also nötig machen, die theoretische Beschreibung dieser Quantenphasenübergänge grundlegend zu überdenken. So besteht die Hoffnung, dass mit neuen, verfeinerten Erklärungsmodellen bald auch das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung besser ergründet werden kann.
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Originalveröffentlichung:

Sven Friedemann, Niels Oeschler, Steffen Wirth, Cornelius Krellner, Christoph Geibel, Frank Steglich, Silke Paschen, Stefan Kirchner, and Qimiao Si
Fermi-surface collapse and dynamical scaling near a quantum-critical point
Proceedings of the National Academy Sciences 107, 14547-14551.

Infobox: Hochtemperatur-Supraleiter

Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand aufweisen und Strom verlustfrei leiten. Meist ist das nur bei sehr geringen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes möglich, doch es gibt auch Materialien, deren supraleitende Eigenschaften bis hin zu erstaunlich hohen Temperaturen erhalten bleiben. Sie bezeichnet man als „Hochtemperatursupraleiter“, auch wenn die für Supraleitungs-Verhältnisse „hohen“ Temperaturen, unterhalb derer sie supraleitend werden, in alltäglichen Maßstäben betrachtet noch immer sehr kalt sind: Sie liegen unter -140°C.

Verlustfreie Leitung von Strom und das damit verbundene Auftreten von sehr starken Strömen und Magnetfeldern bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten (beispielsweise auch in der Präzisions-Messtechnik), daher gehört Hochtemperatur-Supraleitung heute zu den besonders wichtigen und innovativen Themen der Festkörperphysik. Eine zufriedenstellende theoretische Erklärung dieses Effektes fehlt allerdings bis heute – so ist es auch derzeit nicht möglich, rechnerisch vorherzusagen, welche Materialien bei welchen Temperaturen supraleitend werden

Nähere Informationen:
Technische Universität Wien
E138 - Institut für Festkörperphysik
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Silke Bühler-Paschen
T +43-1-58801-13716
F +43-1-58801-13899
paschen@ifp.tuwien.ac.at
http://www.ifp.tuwien.ac.at/156.0.html
http://erc.tuwien.ac.at/paschen