Quanteneffekt “Spinaron” erstmals nachgewiesen

Forscher des Exzellenzclusters ct.qmat in Würzburg und Dresden haben erstmals den neuartigen Quanteneffekt namens “Spinaron” nachgewiesen. Dieser Effekt kann mit einem Rugby-Spiel im Bällebad verglichen werden. Unter Verwendung einer fortschrittlichen Kombination von Instrumenten und unter extremen Laborbedingungen gelang es den Physikern, den ungewöhnlichen Zustand eines Kobalt-Atoms auf einer Kupfer-Fläche zu untersuchen. Dadurch wird der Kondo-Effekt, ein theoretisches Konzept, das die Wechselwirkung zwischen magnetischen Materialien und Metallen beschreibt, einer kritischen Untersuchung unterzogen.

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift “Nature Physics” veröffentlicht. Im Labor der Experimentalphysiker Prof. Matthias Bode und Dr. Artem Odobesko in Würzburg werden Forschungen unter extremen Laborbedingungen durchgeführt, die sowohl ultrakalt als auch ultrastark sind. Der Exzellenzcluster ct.qmat, der sich mit Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien beschäftigt, unterstützt die Forscher bei ihrer Erforschung neuer Quanteneffekte wie dem Spinaron-Effekt.

Die Physiker positionierten einzelne Kobalt-Atome auf einer Kupfer-Fläche, kühlten sie auf eine Temperatur von 1,4 Kelvin ab und setzten sie einem sehr starken äußeren Magnetfeld aus. Durch die Verwendung eines Rastertunnelmikroskops konnten sie die einzelnen Kobalt-Atome sichtbar machen und den Spin jedes Atoms messen. Dabei stellten sie überraschende Entdeckungen fest. Der Spinaron-Effekt tritt auf, wenn sich die Ausrichtung des Spins ständig ändert. Dieser Zustand des Kobalt-Atoms kann mit einem Rugby-Ball verglichen werden, der sich im Bällebad kontinuierlich dreht und wellenartige Verdrängungen der umliegenden Bälle erzeugt.

Bisher ging die Festkörperphysik davon aus, dass die Effekte der Kobalt-Kupfer-Materialkombination durch den Kondo-Effekt erklärt werden können. Dabei wird die magnetische Ausrichtung des Kobalt-Atoms durch die Interaktion mit den Kupfer-Elektronen neutralisiert. Die Forscher konnten jedoch nachweisen, dass der alternative Erklärungsansatz des Spinaron-Effekts zutrifft. Dies könnte die Geschichte der theoretischen Quantenphysik grundlegend verändern.

Die Untersuchung von Korrelationseffekten in Quantenmaterialien ist ein Hauptforschungsgebiet des Exzellenzclusters ct.qmat. Die Anwendung der Spintronik, also der Nutzung von Quanteneffekten zur Übertragung von Informationen, könnte die Informationstechnologie nachhaltiger und energieeffizienter machen. Allerdings ist fraglich, ob die Kombination von Kobalt und Kupfer tatsächlich in der Praxis verwendet werden kann.

Momentan konzentrieren sich die Forscher darauf, den Kondo-Effekt in verschiedenen Materialkombinationen genauer zu untersuchen und zu überprüfen, ob ein beträchtlicher Teil dieser Entdeckung auf den Spinaron-Effekt zurückzuführen ist. Das Exzellenzcluster ct.qmat wird seit 2019 in Kooperation zwischen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden betrieben und erforscht topologische Quantenmaterialien unter extremen Bedingungen. Es erhält Förderung im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern.

Schlagwörter: SpinaronQuanteneffekt + KondoEffekt + Spintronik

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  • 26. Oktober 2023