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Physik: Quantenspinflüssigkeit in 2-D-Material

Physiker um Arnab Banerjee vom Oak Ridge National Laboratory (Tennessee, USA) haben einen Hinweis auf eine so genannte Quantenspinflüssigkeit gefunden – ein ungeordnetes System aus Quantenspins, die miteinander in Wechselwirkung stehen. Die Forscher arbeiteten mit alpha-Ruthenium(III)-chlorid, das eine kristalline Schichtstruktur ähnlich dem Graphen aufweist. Darin sollte unter bestimmten Bedingungen eine Quantenspinflüssigkeit entstehen. Sie zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Elektronen mitsamt ihrer Spins selbst am absoluten Nullpunkt ein verschränktes Ensemble bilden, das Quantenfluktuationen zeigt – während sich in einem "normalen" ferromagnetischen Material die Elektronenspins bei tiefen Temperaturen alle gleich ausrichten.

Laut theoretischen Annahmen können in Quantenspinflüssigkeiten so genannte Majorana-Fermionen in Form von "Quasiteilchen" (Anregungen eines Vielteilchensystems) ent­stehen, indem Elektronen zerfallen. Majorana-Fermionen sind hypothe­tische Teilchen mit halbzahligem Spin, die gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen sind.

Streuexperimente mit Neutronen deuten darauf hin, dass dies in alpha-Ruthenium(III)-chlorid tatsächlich geschieht, und bestätigen insofern die theoretischen Erwartungen. Sollten sich die Ergebnisse auch von anderen Wissenschaftlerteams reproduzieren lassen, wären sie der erste direkte Nachweis einer Quantenspinflüssigkeit in einem zweidimensional strukturierten Material.

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  • Quelle

Banerjee, A. et al.: Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Behaviour in a Honeycomb Magnet. In: Nature Materials, 2016