Augsburg/FL/MH –? ?? Eine chinesisch-deutsche Forschungskooperation mit Beteiligung der Universit?t Augsburg hat bei einem Metall Eigenschaften nachgewiesen, die sich mit g?ngigen physikalischen Theorien nicht erkl?ren lassen. Die Ergebnisse wurden an einer speziellen metallischen Verbindung mit ungew?hnlichen magnetischen Charakteristika erzielt – Wissenschaftler sprechen auch von magnetischer Frustration.? Bei sehr tiefen Temperaturen und bei starken Drücken und Magnetfeldern beobachtete die Kooperation bei dem Metall ein neuartiges, sogenanntes kritisches Verhalten.

Metalle sind Elemente oder Verbindungen, die elektrischen Strom leiten k?nnen. Wie der geniale russische Physiker Lev Landau bereits in den 1950er Jahren erkannte, lassen sich deren Eigenschaften so deuten, als würden in ihnen nahezu unabh?ngig voneinander bewegliche Ladungstr?ger vorliegen. Landau nannte die Ladungstr?ger ?Quasiteilchen“, um anzudeuten, dass sie einen kollektiven Zustand beschreiben, aber nicht wie ?echte“ Elektronen einzeln auftreten k?nnen.

In den letzten Jahren haben jedoch Materialien Aufsehen erregt, deren Eigenschaften komplexer sind und sich nicht durch Landaus Quasiteilchen-Modell beschreiben lassen. Hierzu z?hlen auch die für potenzielle Anwendungen interessanten Hochtemperatur-Supraleiter. Das Quasiteilchenbild bricht zusammen, wenn sich der Grundzustand eines Metalls – seine Phase – bei einer ?u?eren St?rung ?ndert, etwa durch Anlegen von Druck oder eines Magnetfelds. Diese ?nderung kann zum Beispiel darin bestehen, dass die magnetischen Momente im Metall (vereinfacht gesagt: die Elementarmagneten) bis zu tiefsten Temperaturen in v?llig unterschiedliche Richtungen weisen (normalerweise richten sie sich bei tiefen Temperaturen aneinander aus, gehen also in einen geordneten Zustand über). Folge ist ein exotischer Metallzustand, der quantenkritische Punkt – so genannt, weil er normalerweise nur unter streng definierten Bedingungen im so genannten Phasendiagramm des Metalls auftritt. Quantenkritische Punkte werden heutzutage mit ungew?hnlichen Phasen wie etwa der Hochtemperatur-Supraleitung in Verbindung gebracht.

Das chinesisch-deutsche Team hat nun erstmals durch Messungen nachgewiesen, wie nicht nur ein einzelner Punkt, sondern ein ganzer Bereich im Phasendiagramm quantenkritisches Verhalten zeigen kann. Dazu haben sie eine metallische Verbindung aus den Elementen Cer, Palladium und Aluminium ?unter die Lupe genommen“ (chemisches Kürzel: CePdAl). Die Augsburger Gruppe um Prof. Dr. Philipp Gegenwart hat die W?rmekapazit?t von geschickt mit Fremdatomen verunreinigten (dotierten) Proben bei tiefen Temperaturen untersucht. Die Forscher um Prof. Dr. Peijie Sun vom Institut für Physik in Peking haben dagegen gemessen, wie sich der elektrische Widerstand von CePdAl unter Druck und im Magnetfeld ver?ndert.

Durch Kombination der Messdaten gelang der Kooperation der Nachweis, dass in CePdAl ein verbreiterter kritischer Bereich an Stelle eines singul?ren kritischen Punkts vorliegt. Die Forscher vermuten, dass dies mit der besonderen Anordnung magnetischer Momente in CePdAl zusammenh?ngt. Die Cer-Atome, welche den Magnetismus verursachen, sind n?mlich in einer Art Dreiecks-Muster angeordnet. Konsequenz dieses Musters ist ein besonderes Ph?nomen, die ?magnetische Frustration“.

Die Cer-Elektronen verhalten sich wie kleine Magneten und m?chten bei tiefen Temperaturen ihre Magnetpole zu den n?chsten Nachbarn ausrichten. In der Verbindung CePdAl ist allerdings die übliche antiparallele Ausrichtung aufgrund einer Dreiecksanordnung unm?glich. Nur zwei Magnete im Dreieck k?nnen sich zueinander antiparallel einstellen, der dritte kann nicht gleichzeitig antiparallel zu beiden anderen stehen. ?Wir vermuten, dass dieser Frustrations-Effekt den quantenkritischen Bereich stabilisiert“, erkl?rt Gegenwart.

Der Erfolg der Studie ist das Ergebnis einer langj?hrigen Kooperation zwischen Instituten in Deutschland und China, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und ihrer chinesischen Partnerorganisation gef?rdert wird. Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit sind zwar reine Grundlagenforschung, aber durchaus von Relevanz auch für ein besseres Verst?ndnis der Hochtemperatur-Supraleitung und anderer Ph?nomene mit Anwendungspotential.

So k?nnte magnetische Frustration den Schlüssel zum Verst?ndnis kritischer metallischer Zust?nde bilden, die auch bereits früher in anderen Materialien beobachtet wurden. ?Erst die komplement?ren hochempfindlichen Messungen in Augsburg und Peking erm?glichen diesen wichtigen Rückschluss“, so Prof. Dr. Alois Loidl von der Universit?t Augsburg, deutscher Sprecher des chinesisch-deutschen Kooperationsprojektes. Die ?Sino-German Cooperation Group“ mit Gruppen aus Hangzhou, Beijing, Frankfurt und Augsburg erm?glicht intensiven wissenschaftlichen Austausch der beteiligten Arbeitsgruppen in China und Deutschland und f?rdert so exzellente Spitzenforschung.

Originalpublikation:

Hengcan Zhao, Jiahao Zhang, Meng Lyu, Sebastian Bachus, Yoshifumi Tokiwa, Philipp Gegenwart, Shuai Zhang, Jinguang Cheng, Yi-feng Yang, Genfu Chen, Yosikazu Isikawa, Qimiao Si, Frank Steglich and Peijie Sun, Quantum-critical phase from frustrated magnetism in a strongly correlated metal, Nat. Phys. 15 (2019) 1261, DOI: 10.1038/s41567-019-0666-6

Prof. Dr. Philipp Gegenwart
Lehrstuhl für Experimentalphysik VI
+49 (0)821 598-3650
philipp.gegewart@physik.uni‐augsburg.de

Prof. Dr. Alois Loidl
Lehrstuhl für Experimentalphysik V
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alois.loidl@physik.uni‐augsburg.de