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News: Coole Physik

Magnetismus tritt erst unterhalb einer bestimmten Temperatur auf, die bei gewöhnlichen Magneten recht hoch ist. Doch Seltsames passiert, wenn dieser Phasenübergang erst bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts auftritt.
Allein das Abkühlen macht einige gewöhnliche Metalle magnetisch, überführt sie also in einen gewissen geordneten Zustand. Bei reinem Eisen tritt dieser Phasenübergang beispielsweise schon bei 774 Grad Celsius auf. Doch Wissenschaftler interessieren sich gerade auch für die ganz tiefen Temperaturen. So suchen sie seit einigen Jahren nach metallischen Materialien, bei denen dieser Übergang erst in der Nähe des absoluten Nullpunkts stattfindet. Hier spielen Temperatureffekte keine Rolle mehr. Die physikalischen Eigenschaften des Materials werden allein durch so genannte Quantenfluktuationen bestimmt. Denn selbst am absoluten Nullpunkt friert die Zitterbewegung von Atomen nicht vollständig ein – eine direkte Folge der Heisenberg'schen Unschärfe, die völligen Stillstand verbietet.

Deshalb sprechen Physiker in diesem Fall auch von einem Quantenphasenübergang an einem quantenkritischen Punkt. Seit einigen Jahren versuchen sie diesem neuartigen Phasenübergang durch Variation externer Parameter, wie zum Beispiel der chemischen Zusammensetzung, des Drucks oder Magnetfelds, so nahe wie möglich zu kommen. Geeignete Kandidaten für solche Untersuchungen sind Metalle aus der Klasse der "Schwere-Fermionen-Systeme". Das sind Verbindungen, die unter anderem Atome der Elemente Cer oder Ytterbium enthalten, und in denen bei tiefen Temperaturen "schwere Elektronen" aus der Streuung "leichter" Leitungselektronen an magnetischen Momenten hervorgehen. Dabei sind die Elektronen nicht wirklich schwerer oder leichter. Die an den magnetischen Momenten gestreuten Ladungsträger verhalten sich nur etwas träger, weshalb man ihnen eine größere effektive Masse zuschreibt – im Prinzip ein kleiner Rechnentrick dessen sich Physiker gerne bedienen, um weiterhin mit den gewohnten Gleichungen arbeiten zu können.

Bereits vor einigen Jahren war es Wissenschaftlern am Dresdner Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe gelungen, eine extrem reine intermetallische Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silicium zu synthetisieren. In diesem YbRh2Si2 tritt Magnetismus erst bei einer Temperatur von 70 Millikelvin auf. Jetzt konnten die Forscher um Jeroen Custers diese Temperatur noch einmal unterbieten, indem sie in diesem Material Silicium geringfügig durch Germanium ersetzten. In dem neuen Stoff, YbRh2(Si0.95Ge0.05)2 taucht die magnetische Ordnung erst unterhalb von 20 Millikelvin auf. Soweit so gut, aber was ist nun das Besondere an dieser Substanz?

Nun, die Forscher konnten zwei komplementäre Eigenschaften in unmittelbarer Nähe des quantenkritischen Punktes messen: die Wärmekapazität, die Aufschluss über die effektive Masse der schweren Elektronen gibt, und den elektrischen Widerstand als Maß für die Häufigkeit der Kollisionen der Leitungselektronen an den schweren Ladungsträgern. Beide Messgrößen zeigten eine dramatische Entwicklung. Einerseits bewegten sich die Elektronen immer langsamer, wurden also auch immer schwerer, und andererseits kollidierten sie immer häufiger untereinander – völlig im Widerspruch zur Theorie.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass bei Annäherung an den quantenkritischen Punkt die Quantenfluktuationen zu einer unendlich anwachsenden Masse der schweren Elektronen und einem enormen Anstieg der Rate ihrer gegenseitigen Kollisionen führen. Daraus folgern die Forscher, dass die schweren Elektronen in diesen Materialien am absoluten Nullpunkt nicht mehr existieren können und offenbar in einen magnetischen und einen stromtragenden Anteil auseinander brechen.

"Es ist jetzt eine Herausforderung für die Theoretiker, das Konzept der Quantenphasenübergänge weiter zu entwickeln", meint denn auch Frank Steglich, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe. "Denn offenbar bestimmt der quantenkritische Punkt Materialeigenschaften wie Magnetismus und Supraleitung nicht nur am absoluten Nullpunkt, sondern abhängig von der Stärke der Quantenfluktuationen auch bei höheren Temperaturen."

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