Frustriert, frustrierter, komplizierter Internationales Forschungsteam findet ungewöhnlich starke Konkurrenz von magnetischen Zuständen in Mineral Clinoatacamit

Was für Sammler ein faszinierendes Mineral ist, wird für die Forschung zum Untersuchungsobjekt unter Extrembedingungen: Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Stefan Süllow von der Technischen Universität Braunschweig erforscht Mineralproben bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und in hohen Magnetfeldern. Dabei gehen die Forschenden der Frage nach, wie neuartige magnetische Zustände entstehen und miteinander konkurrieren. Eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt nun, wie ein ungewöhnlicher Konkurrenzeffekt im Mineral Clinoatacamit für eine besonders starke magnetische Verwirrung sorgt. Die Erforschung von magnetisch frustrierten Materialien wie Clinoatacamit und derartigen ungewöhnlichen Spinzuständen kann für quantentechnologische Anwendungen, speziell im Bereich Quantencomputing, zukünftig von großer Bedeutung sein. Die Studie, an der auch der Altpräsident der TU Braunschweig, Jochen Litterst, aktiv beteiligt war, haben die Forschenden nun im hochrenommierten Journal Physical Review Letters veröffentlicht.

Das dunkelgrüne Mineral Clinoatacamit (Cu₂Cl(OH)₃) hat magnetisch gesehen ein großes Problem: Es ist frustriert. Die Austauschkopplungen zwischen den Spins der magnetischen Ionen, eine Art Drehimpulse, passen nicht zu ihrer geometrischen Anordnung in Dreiecksstrukturen. „In Clinoatacamit sind die magnetischen Kupferionen in einem sogenannten Kagome-Gitter angeordnet“, erklärt Dr. Leonie Stödter, Heinrich-Büssing-Preisträgerin, die derzeit am Jülich Centre for Neutron Science des Forschungszentrum Jülich in Garching als Postdoc forscht. „Ihnen wird eine alternierende Spin-Anordnung auferlegt, die sie jedoch in den Dreiecken nicht umsetzen können.“ In Kagome-Gittern, benannt nach einem japanischem Flechtkorbmuster, kann die Konkurrenz der Spins so gravierend sein, dass auch bei tiefsten Temperaturen keine magnetische Ordnung einsetzt. Dieser ungeordnete Zustand wird als „Quantenspinflüssigkeit“ bezeichnet.

Die Anordnung im Kagome-Gitter ist aber nicht einzige Grund, warum das Mineral magnetisch frustriert ist und  magnetische Ordnung erst bei sehr tiefen Temperaturen von achtzehn Kelvin, d.h. -255 Grad Celsius, einsetzen kann. Das haben Berechnungen des Forschungsteams gezeigt. „Das Kagome-Gitter in Clinoatacamit ist leicht verzerrt. Die antiferromagnetischen Kopplungen sind daher unterschiedlich stark, wodurch bestimmte Anordnungen der Spins energetisch günstiger sind und bevorzugt werden“, erklärt Carolin Kastner weiter, die am Institut für Physik der Kondensierten Materie an der TU Braunschweig promoviert.

Die Autor*innen identifizierten neben der Konkurrenz in Kagome-Gittern einen zusätzlichen Konkurrenzeffekt: So bewirken unterschiedliche lokale Umgebungen der Kupferplätze, dass mehrere verschiedene magnetische Anordnungen energetisch ähnlich günstig sein können und die Spin-Anordnungen entsprechend miteinander konkurrieren. Mehr noch: Dadurch können ungewöhnliche magnetische Zustände auftreten, in denen verschiedene Spin-Anordnungen nebeneinander auftreten sind oder sich abwechseln.

Auf Basis der experimentellen Untersuchungen, insbesondere unter Nutzung von Großforschungseinrichtungen, die experimentelle Messtechniken wie Neutronenstreuung und Myonen-Spin-Rotation zur Verfügung stellen, demonstrierte das Forschungsteam, dass sich bei Temperaturen unterhalb von sechs Kelvin, also -267 Grad Celsius, eine derartige Koexistenz von unterschiedlichen Spin-Anordnungen auftritt. „Clinoatacamit ist ein Beispiel für magnetische Frustration auf einer höheren, nicht-lokalen Ebene“, fasst Dr. Stödter zusammen.

„Die Studie zeigt eine Möglichkeit auf, wie Spinflüssigkeitszustände relativ zu gewöhnlichen langreichweitigen magnetischen Zuständen stabilisiert werden können.“ – Ziel der Forschung ist, einen kontrollierten Zugang zu einer Spin-Flüssigkeit zu erhalten. Wenn das gelingt, können Spin-Flüssigkeiten als Grundlage für den Bau neuartiger, verbesserter Qubits (Informationseinheiten für Quantencomputer) genutzt werden.