Met behulp van een nieuwe rekenmethode een internationale samenwerking is er voor het eerst in geslaagd om systematisch magnetische kwantumeffecten te onderzoeken in het bekende 3-D pyrochloor Heisenberg-model. De verrassende bevinding:fysieke kwantumfasen worden alleen gevormd voor kleine spinwaarden.

Atomen en moleculen in kristallijne vaste stoffen zijn gerangschikt in regelmatige driedimensionale roosters. De atomen interageren met elkaar via verschillende krachten, eindelijk een toestand van minimale energie bereiken. Bijna het absolute nulpunt, de roosteroscillaties bevriezen, zodat interacties tussen elektronenspins domineren. Een bijzonder interessant geval doet zich voor wanneer de spins niet allemaal tegelijkertijd kunnen worden uitgelijnd om een ​​toestand met de laagste energie te bereiken. Dit resulteert in een gefrustreerd systeem waarin de spins bijna volledig ontregeld zijn en daarom een ​​spinvloeistof worden genoemd.

Kubieke kristalstructuur

Een van de toonaangevende modellen voor het bestuderen van 3D-gefrustreerde kwantummagneten is het Heisenberg-model op een pyrochloorrooster - een eenvoudige kubische kristalstructuur (zie afbeelding). Hoe dan ook, het is tot nu toe uiterst moeilijk geweest om praktische voorspellingen af ​​te leiden, d.w.z. voor specifieke materialen en temperaturen, van dit theoretische model.

Teams uit Duitsland, Japan, Canada, en India hebben nu gezamenlijk systematisch onderzoek gedaan naar dit model met behulp van een nieuwe theoretische methode en verschillende van deze problemen opgelost. Met deze nieuwe methode is het mogelijk om zowel de spinwaarde van de roosteratomen als de temperatuur en andere interactieparameters te variëren, en om de parameterbereiken te berekenen waarin nieuwe magnetische kwantumeffecten optreden. De berekeningen zijn uitgevoerd in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ) in München.

Quantum effecten alleen voor kleine spins

"We waren in staat om aan te tonen dat kwantumfysische effecten verrassend genoeg alleen optreden over zeer beperkte parameterbereiken", legt theoretisch natuurkundige prof. Johannes Reuther van de HZB uit, co-auteur van de studie. Deze kwantumeffecten zijn het meest uitgesproken bij de kleinst mogelijke spin (spinwaarde ½). Echter, spinsystemen in de door de teams onderzochte kristalstructuur gedragen zich al bijna volledig als klassieke fysieke systemen bij spinwaarden van 1,5 en hoger.

Het gepubliceerde werk verdiept ons begrip van vaste stoffen en draagt ​​bij aan de systematische vooruitgang van de zoektocht naar 3D-spinvloeistoffen in kwantummaterialen.