Quantensimulation: Modellsystem simuliert das Verhalten von Minimagneten

Der Magnetismus ist theoretisch zwar gut verstanden, doch die vorhergesagten Eigenschaften in realen Systemen zu überprüfen, scheitert in vielen Fällen. Eine interessante Alternative bieten hier so genannte Quantensimulatoren, in denen sich die winzigen Magnete – aus denen sich alle magnetischen Materialien zusammensetzen – genau kontrollieren und untersuchen lassen. Ein neues Modellsystem könnte beispielsweise dazu beitragen, ultraschnelle Speichermedien wie USB-Sticks und Festplatten weiterzuentwickeln.

Wissenschaftler um Klaus Sengstock von der Universität Hamburg überlagerten zunächst Laserstrahlen zu einem so genannten optischen Gitter. Die erzeugte periodische Struktur bestand ausschließlich aus gleichschenkligen Dreiecken, in die das Team in einem nächsten Schritt ein Bose-Einstein-Kondensat füllte. Teilt man dieses Gas aus ultrakalten Atomen auf die einzelnen Gitterplätze auf, so kann das entstehende System als eine Anordnung von eigenständigen Magneten beschrieben werden. Rund 1000 Stück solcher simulierter Minimagneten erzeugte die Arbeitsgruppe in ihrem Experiment.

Frustrierte Magnete im Modell | In einem Lichtgitter halten die Forscher ultrakalte Atome fest, die sich dort wie winzige Stabmagnete verhalten. Im Experiment befinden sich die magnetisch miteinander wechselwirkenden Teilchen jeweils an den Eckpunkten eines Dreiecks. Diese Geometrie hat eine interessante Folge: Es können sich niemals alle Magnete im System derart ausrichten, dass das System einen Zustand niedrigster Energie erreicht – es sind nur Kompromisse möglich. Aus diesem Grund sprechen Physiker auch von einem frustrierten System. Da mehrere gleichberechtigte Anordnungenen der Magnete existieren, ist das System "instabil" und muss sich für eine Ordnung entscheiden.

Analog zu Kompassnadeln auf einem Nagelbrett hängt die Ausrichtung der einzelnen Magnete von der Stärke der Wechselwirkung mit den nächsten Nachbarn ab. Allerdings sind die Wissenschaftler um Sengstock in ihrem Modellsystem in der Lage, diese Kräfte nahezu frei einzustellen. In herkömmlichen Magneten lässt sich die Orientierung der Elementarmagnete dagegen nur verändern, wenn man das System zum Beispiel stark erhitzt. Wie sich die Magnete dabei ausrichten, lässt sich allerdings nicht vorhersagen.

Mit dem neuen Quantensimulator wird es dagegen möglich, die dynamische Anordnung von klassischen Magneten und den Übergang zwischen verschiedenen Magnetisierungszuständen – etwa ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Phasen – gezielt zu untersuchen. Auch die spontane Bildung von Bereichen gleicher Magnetisierung lässt sich im Modellsystem studieren, was insbesondere für so genannte frustrierte Magnetsysteme sehr interessant ist. Hierin können sich die Magnete zwar lokal, aber nicht global derart ausrichten, dass sie den energetisch günstigsten Zustand erreichen. Da mehrere gleichberechtigte Anordnungen der Magnete existieren, ist das System gewissermaßen instabil und muss sich "spontan" für eine Ordnung entscheiden. In frustrierten magnetischen Systemen lassen sich spannende Phänomene beobachten, darunter beispielsweise magnetische Monopole. In "natürlichen" Festkörpern stelle es jedoch eine massive Herausforderung dar, so die Gruppe um Sengstock, solche Systeme zu realisieren. Könnten Wissenschaftler diese und andere magnetische Eigenschaften zukünftig in einem kontrollierbaren Modellsystem nachspielen, wäre das nicht nur von großem Nutzen für die Grundlagenforschung, sondern zum Beispiel auch für die Entwicklung neuartiger Materialien. (mp)