Exotischer Quantenzustand beobachtet
Physik-News vom 04.07.2024
Ein internationales Forschungsteam hat einen exotischen Quantenzustand der Materie in einer Festkörperverbindung entdeckt – sogenannte repulsiv gebundene Magnonen. Diese Beobachtung ist für die Grundlagenforschung in der Quantenphysik recht spektakulär.
Atome, Moleküle und Festkörper, die durch Anziehungskräfte zwischen ihren Komponenten entstehen, sind in der Natur ubiquitär. Im Gegensatz dazu wurden Objekte, die durch abstoßende Kräfte zusammengehalten werden, aufgrund ihrer Instabilität in natürlichen Systemen lange als theoretische Konzepte betrachtet. Insbesondere in Festkörperverbindungen schien die Beobachtung von Teilchen, die durch Abstoßung gebunden sind, unmöglich. Doch kürzlich gelang es einem internationalen Team unter Leitung des TU-Physikers Prof. Zhe Wang, repulsiv gebundene Magnonen – einen exotischen Quanten-Vielteilchenzustand – experimentell nachzuweisen.
Publikation:
Wang, Z., Halati, CM., Bernier, JS. et al.
Experimental observation of repulsively bound magnons
Nature 631, 760–764 (2024)
DOI: 10.1038/s41586-024-07599-3
Die Beobachtung fand in der speziellen Spin-Ketten Verbindung BaCo2V2O8 statt; Spins sind ein intrinsischer magnetischer Freiheitsgrad von Elektronen in Atomen. Das Team verwendete Terahertz-Lichtwellen, um die Spins in BaCo2V2O8 anzuregen und ihre Dynamik in starken äußeren Magnetfeldern von bis zu 60 Tesla zu studieren. Die Forscher identifizierten zum einen die bereits bekannten Magnonen, also niederenergetische magnetische elementare Quasiteilchen-Anregungen.
Zum anderen entdeckten sie auch spezielle repulsiv gebundene Zwei-Magnon- und Drei-Magnon-Zustände als hochenergetische zusammengesetzte Anregungen. BaCo2V2O8 ist eine Festkörper-Realisierung des Heisenberg-Ising-Modells, welches seit über einem Jahrhundert für das Verständnis zahlreicher physikalischer Phänomene wichtig ist. Dieses Modell hat verschiedene Bereiche der Physik beeinflusst, von kondensierter Materie über kalte Atome bis hin zur Quanteninformation.
Die Beobachtung der repulsiv gebundenen Magnonen war für uns überraschend.
Prof. Zhe Wang, Fakultät Physik, TU-Dortmund
Zhe Wang weiter: „Unsere Studie liefert ein erstes Verständnis dieser komplexen Quanten-Vielteilchen-Zustände in einem repräsentativen Festkörpersystem. Wie sich diese exotischen Zustände in anderen, noch komplexeren Quantensystemen manifestieren und auch ihre möglichen Anwendungen in der Quanteninformation sind sehr spannende und herausfordernde Aufgaben für künftige Forschungen.“
Diese Newsmeldung wurde mit Material der Technischen Universität Dortmund via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
