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Quantenphysik: Quantenspinflüssigkeit will sich nicht ordnen

Der neu entdeckte Materiezustand besitzt auch bei tiefsten Temperaturen keine ausgerichteten Spins. In einem zweidimensionalen System konnten Forscher das durch die Messung von Majorana-Fermionen experimentell nachweisen.
Quantenspinflüssigkeit in 2D-System entdeckt

Majorana-Fermionen sind mysteriöse Teilchen, die gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen darstellen. Man hat sie bisher kaum zu fassen bekommen, obwohl sie schon 1937 postuliert wurden. Forscher um Arnab Banerjee vom Oak Ridge National Laboratory haben nach eigenen Angaben nun mit Hilfe von Neutronenstreuung Majorana-Fermionen in einer Quantenspinflüssigkeit vermessen. Damit könnte der erste experimentelle Nachweis dieser Quasi-Teilchen gelungen sein. Die Forscher konnten in ihrer Arbeit Computersimulationen von 2014 bestätigen. Sie haben zudem den neuen Materiezustand der Quantenspinflüssigkeit in dem zweidimensionalen System aus Rutheniumchlorid entdeckt, das den Untersuchungen zu Grunde lag. In diesem System zerbrechen Elektronen in wohldefinierte, voneinander unabhängige Quasiteilchen, eben die genannten Majorana-Fermionen, wie die Forscher schreiben.

In einem typischen magnetischen Material richten sich bei tiefen Temperaturen die Spins der Elektronen alle gleich aus. Nicht so in einer Quantenspinflüssigkeit. Hier bleiben die Elektronen selbst am absoluten Nullpunkt ein verschränktes Ensemble, das Quantenfluktuationen zeigt. Auf der Suche nach einer solchen Quantenspinflüssigkeit, verwendeten die Forscher Kristalle von Rutheniumchlorid in einer zweidimensionalen Wabenstruktur, wie man sie von der Graphenkonfiguration des Kohlenstoffs kennt. Dieses Material sollte nach theoretischen Vorüberlegungen aus dem Jahr 2014 ein ganz bestimmtes Muster erzeugen, wenn man Neutronen an ihm streut. Die nun veröffentlichten Ergebnisse bestätigen die Erwartungen aus der Theorie. Wenn sich die Ergebnisse der Forscher um Banerjee von anderen Wissenschaftlern reproduzieren lassen, wäre das gleichermaßen der erste direkte Nachweis einer Quantenspinflüssigkeit und der Majorana-Fermionen. Diese Teilchen werden auch immer wieder ins Gespräch gebracht, wenn es um Bausteine für Quantencomputer geht.

Hinweis: Der erste Absatz wurde nachträglich leicht editiert, um hervorzuheben, dass es sich bei den nun gefundenen Majorana-Fermionen um Quasi-Teilchen handelt.

14/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 14/2016

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