Physik: Erstmals Spinflüssigkeit simuliert
Einen sehr seltenen Zustand, den Forscher als Spinflüssigkeit bezeichnen, können die Elektronen in wabenförmigen Strukturen annehmen. Das zeigen Physiker von den Universitäten Würzburg und Stuttgart in der Zeitschrift „Nature“.
In zwei Zuständen liegen die Elektronen in Feststoffen normalerweise vor: Entweder sind sie beweglich und verleihen dem Feststoff damit elektrische Leitfähigkeit. Oder sie verharren auf ihrem Platz und machen das Material zum Isolator: Die gegenseitige Abstoßung zwischen den Elektronen ist dann so groß, dass sie regelrecht festsitzen.
Einen weiteren Zustand der Elektronen benennen Physiker mit dem Wort „Spinflüssigkeit“. Zeichnen lässt er sich nicht, bildhaft beschreiben nur schwer. Denn es handelt sich um einen „Zustand ohne Ordnung“, der in Modellen und in der Natur nur sehr selten auftritt.
Spinflüssigkeit: Wie Wasser, das nicht gefrieren will
„Sie können das vielleicht vergleichen mit Wasser, das nicht gefrieren will“, sagt Professor Fakher Assaad vom Institut für Theoretische Physik der Uni Würzburg. Denn das Besondere an einer Spinflüssigkeit besteht darin, dass ihre Elektronen auch in der Kälte ungeordnet und dynamisch bleiben, und zwar bis zum absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Normalerweise neigen Stoffe dazu, bei sinkenden Temperaturen Ordnung zu entwickeln – so wie sich die Moleküle von Wasser beim Gefrieren zu einem regelmäßigen Kristall anordnen.
Den Würzburger und Stuttgarter Physiktheoretikern ist es jetzt als Ersten gelungen, das Auftreten einer Spinflüssigkeit in einem realitätsnahen Modell zu zeigen – mit einer „zu 100 Prozent kontrollierten“ Simulationsrechnung, wie Assaad sagt: „Wir haben die Spinflüssigkeit erstmals nicht nur in einer abstrakten Näherung beschrieben, sondern ganz eindeutig in einem realistischen Modell.“ Aus diesem Grund hat die hochrangige Zeitschrift Nature nicht gezögert, die Arbeit zu veröffentlichen.
In Graphen kann Spinflüssigkeit entstehen
Die Simulation sagt voraus: Eine Spinflüssigkeit lässt sich zum Beispiel in Graphen erzeugen. Das ist ein Material aus Kohlenstoffatomen, die in einer Ebene in regelmäßigen Sechsecken angeordnet sind und so das Muster einer Bienenwabe ergeben. Gelingt es, in dieser Struktur die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen von außen gezielt zu beeinflussen, „dann lässt sich im Material der hoch interessante elektronische Zustand namens Spinflüssigkeit schaffen“, erklärt Assaads Doktorand Thomas Lang.
Diese Fragestellung steht im Zentrum der neu gegründeten Würzburger DFG-Forschergruppe „Electron Correlation-Induced Phenomena in Surfaces and Interfaces with Tunable Interactions“, deren Sprecher Professor Ralph Claessen ist.
Möglicher Ausgangspunkt für Supraleiter
Hoch interessant ist die Spinflüssigkeit auch darum, weil sie Ausgangspunkt für einen so genannten Supraleiter sein kann: Elektrischer Strom würde dann ohne Widerstand und damit verlustfrei durch den Feststoff fließen. Spannend ist das für viele Anwendungen, etwa für superschnelle Computerchips oder verlustfreie Stromversorgungsnetze.
Soweit die Theorie. Ihre mögliche Umsetzung in die Praxis aber liegt noch in der Ferne. Mit der Technik von heute ist es nicht machbar, die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in einem Festkörper von außen beliebig zu regulieren. Dennoch: Die Physiker haben mit ihrer Simulation erstmals eindeutig gezeigt, unter welchen Bedingungen sich eine Spinflüssigkeit schaffen lässt.
Überraschende Entdeckung
Gezielt nach einer Spinflüssigkeit gesucht haben die Wissenschaftler nicht. „Wir erforschen grundsätzlich die möglichen Zustände von Vielteilchensystemen in Festkörpern“, sagt Professor Assaad.
Seine Arbeitsgruppe tut das an unterschiedlichen Strukturen und Materialien. Am Graphen-Modell hatten die Forscher mögliche Übergänge zwischen den Zuständen „Metall“ und „Isolator“ analysiert. „Wir hoffen natürlich immer darauf, exotische Dinge zu entdecken“, so Assaad. „eine Spinflüssigkeit an diesem Modell zu finden, das hatten wir allerdings nicht erwartet.“
Beteiligte Wissenschaftler
Neben Professor Fakher Assaad und seinem Doktoranden Thomas Lang waren an dieser Arbeit in gleichem Umfang die Wissenschaftler Zi Yang Meng, Stefan Wessel und Professor Alejandro Muramatsu vom Institut für Theoretische Physik III der Universität Stuttgart beteiligt.
„Quantum spin-liquid emerging in two-dimensional correlated Dirac fermions”, Z.Y. Meng, T.C. Lang, S. Wessel, F.F. Assaad, and A. Muramatsu, Nature 464, 8. April 2010, Seiten 847-851, doi:10.1038/nature08942
Kontakt
Prof. Dr. Fakher Assaad, Institut für Theoretische Physik der Universität Würzburg, T (0931) 31-83652,
assaad@physik.uni-wuerzburg.de
Zur Würzburger DFG-Forschergruppe „Electron Correlation-Induced Phenomena in Surfaces and Interfaces with Tunable Interactions"
