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Pressemitteilung 79/24 - 10.07.2024

Neuer exotischer Quantenzustand

Entdeckung repulsiv gebundener Magnonen unter Augsburger Beteiligung in ?Nature“ ver?ffentlicht

Physikerinnen und Physiker aus Augsburg, Bonn, K?ln, Dresden, Genf und Prince George (Kanada) haben einen exotischen Quantenzustand der Materie in einer Festk?rperverbindung entdeckt – sogenannte repulsiv gebundene Magnonen. Diese spektakul?re Beobachtung aus der quantenphysikalischen Grundlagenforschung wurde in der renommierten Fachzeitschrift Nature ver?ffentlicht. Hauptautor ist Prof. Dr. Zhe Wang von der Technischen Universit?t Dortmund.

Atome, Moleküle oder Festk?rper, die durch Anziehungskr?fte zwischen ihren Bestandteilen aufgebaut und strukturiert werden, sind in der Natur allgegenw?rtig. Im Gegensatz zu diesen bekannten stabilen Objekten galten solche, die durch absto?ende Kr?fte stabilisiert werden, aufgrund ihrer Instabilit?t lange Zeit als theoretische Konstrukte. Insbesondere in Festk?rperverbindungen hielt man die Beobachtung absto?end gebundener Teilchen für unm?glich. Kürzlich ist es einem internationalen Forscherteam um Prof. Zhe Wang gelungen, repulsiv gebundene Magnonen – ein exotischer Quanten-Vielteilchen-Zustand – experimentell zu beobachten. Aus Augsburg ist der Physiker Prof. Dr. Alois Loidl beteiligt.

?Die Beobachtung repulsiv gebundener Magnonen war ?u?erst überraschend“

Die Beobachtung erfolgte in der chemischen Verbindung BaCo2V2O8, in der eindimensionale Spinketten ausbebildet werden. Spins sind intrinsische magnetische Freiheitsgrade der Elektronen in einem Atom. Das Team nutzte Terahertz-Lichtwellen, um die Spins anzuregen und ihre Dynamik in starken ?u?eren Magnetfeldern zu untersuchen.

Kristallstruktur von BaCo2V2O8. Wesentliches Element dieser Struktur sind quasi-eindimensionale Ketten von Kobalt-Ionen (gro?e rote Kugeln), die oktaedrisch von Sauerstoff-Ionen (kleine schwarze Kugeln) umgeben sind und atomare quantenmechanische Spins mit S = ? tragen. Zhe Wang/ TU Dortmund

Dabei identifizierten die Forscher einerseits die bereits bekannten Magnonen, niederenergetische magnetische elementare Quasiteilchen-Anregungen. Andererseits entdecken sie aber auch repulsiv gebundene Zwei-Magnon- und Drei-Magnon-Zust?nde als hochenergetische zusammengesetzte Anregungen. BaCo2V2O8 ist eine Festk?rper-Realisierung des Heisenberg-Ising-Modells, das seit über hundert Jahren für das Verst?ndnis vieler physikalischer Ph?nomene von Bedeutung ist und verschiedene Zweige der Physik, von der kondensierten Materie, über kalte Atome bis hin zur Quanteninformation beeinflusst hat.

?Die Beobachtung repulsiv gebundener Magnonen war ?u?erst überraschend“ sagt Prof. Zhe Wang und ??unsere Studie liefert ein erstes Verst?ndnis dieser komplexen Quanten-Vielteilchen-Zust?nde in einem repr?sentativen Festk?rpersystem. Die Existenz dieser exotischen Zust?nde in anderen, noch komplexeren Quantensystemen und ihre m?glichen Anwendungen in der Quanteninformation sind herausfordernde Aufgaben für zukünftige Forschungsprojekte.“

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Zur Ver?ffentlichung:

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07599-3
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Corina H?rning
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