Ein Quantensimulator für magnetische Materialien

Weshalb ein K¨¹hlschrankmagnet an bestimmten metallischen Oberfl?chen haften bleibt, das verstehen Physiker in jedem Detail. Magnetische Materialien existieren jedoch auch in exotischen Varianten, deren Eigenschaften trotz jahrzehntelanger Forschung noch weitgehend unverstanden sind. Tilman Esslinger und seine Gruppe am Institut f¨¹r Quantenoptik und -elektronik haben nun einen wesentlichen Schritt unternommen, diese L¨¹cken zu schliessen. Das Team kombiniert Laserstrahlen und Atome so miteinander, dass Strukturen entstehen, die sich exakt wie magnetische Materialien verhalten. Diese Methode verspricht grundlegende Erkenntnisse zu magnetischen Materialien zu liefern, die ¨¹ber das hinausgehen, was heutzutage mit theoretischen und computergest¨¹tzten Methoden m?glich ist. Die Arbeit k?nnte Forschern auch helfen, neue Materialien zu finden, die interessante Eigenschaften hinsichtlich zuk¨¹nftiger Technolo-gien und Anwendungen besitzen.

Das Konzert der winzigen Magneten

Magnetische Materialien verdanken ihre Eigenschaften einem komplexen Wechselspiel einer Vielzahl von winzigen Magneten, die in der Regel in der Form von einzelnen Elektronen vorliegen. Beobachtbarer Magnetismus tritt dann auf, wenn diese magnetischen Bausteine in bestimmten Mustern angeordnet sind, in denen sie durch quantenmechanische Wechselwirkungen festgehalten werden. Ein typischer K¨¹hlschrankmagnet, zum Beispiel, besteht aus mehreren ferromagnetischen Teilst¨¹cken und in jedem Segment sind s?mtliche Elementarmagnete parallel zueinander ausgerichtet, woraus das magnetische Verhalten resultiert.

In anderen magnetischen Materialien ist die Situation weniger anschaulich, da die magnetischen Bausteine in komplizierteren Mustern angeordnet sind. Ein Beispiele hierf¨¹r sind die sogenannten Quanten-Spin-Fl¨¹ssigkeiten, in welchen die Elementarmagnete in einer Weise wechselwirken, die sie daran hindert, jemals in einem geordneten Zustand vorzuliegen. Physiker und Materialwissenschaftler sind an solchen unkonventionellen Magneten interessiert, weil sie grundlegende Probleme der Vielteilchen-Quantenphysik verk?rpern, aber auch, weil diese Materialien Eigenschaften besitzen, die eine Grundlage bilden k?nnten f¨¹r zuk¨¹nftige magnetische Speichermedien oder f¨¹r neuartige Formen der Informationsverarbeitung.

Quantensysteme mit Quantensystemen simulieren

Anders als im Fall von K¨¹hlschrankmagneten l?sst sich das Verhalten von Quanten-Spin-Fl¨¹ssigkeiten und anderen exotischen magnetischen Zust?nden, heutzutage nur sehr begrenzt voraussagen. Es ist ein hartn?ckiges Problem, da die Wechselwirkung zwischen hunderten von Elementarmagneten ber¨¹cksichtigt werden muss. Die Komplexit?t dieses Problems erkl?rt denn auch, warum viele magnetische Materialien ? aber auch viele idealisierte Modellsysteme ? heute nur unvollst?ndig verstanden sind. Das fehlende Verst?ndnis behindert Fortschritte in der Nutzung und Weiterentwicklung dieser Materialien.

Da herk?mmliche Methoden f¨¹r diese komplizierten Systeme h?ufig unzureichend sind, verfolgen Esslinger und seine Mitarbeiter einen g?nzlich anderen Ansatz. Sie schaffen k¨¹nstliche Materialien, die das Material, welches sie ur-spr¨¹nglich studieren wollen, replizieren. Mit anderen Worten, um das eigentliche Material zu untersuchen, f¨¹hren die Wissenschaftler ihre Messungen an einem k¨¹nstlich erschaffenen Gegenst¨¹ck durch, das leichter zu handhaben ist und in dem wichtige Parameter (wie etwa die St?rke der Wechselwirkung zwischen den Elementarmagneten) ver?ndert werden k?nnen.

Esslinger und sein Team schaffen ihre k¨¹nstlichen Materialien, indem sie Atome verwenden, die sich im Wesentlichen wie Elektronen verhalten. Diese bringen sie dann in einen ?Kristall? ein der durch eine ?berlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt wird. Sowohl die Laserstrahlen wie auch die gefangenen Atome k?nnen mit grosser Genauigkeit gesteuert werden. ?Auf diese Weise k?nnen wir das quantenmechanische Verhalten von verschiedenen magnetischen Materialien simulieren?, sagt Esslinger.

Vom Modell zur Anwendung

Die Erkundung von Eigenschaften eines quantenmechanischen Systems mit Hilfe eines anderen, das besser kontrollierbar ist, wird als Quantensimulation bezeichnet. In den vergangenen Jahren haben Physiker in diversen For-schungsgruppen intensiv daran gearbeitet, einen Quantensimulator f¨¹r magnetische Materialien zu entwickeln ¡ª diese spezifische Anwendung gilt als eines der wichtigsten Ziele in diesem Feld. Esslinger und seinem Team ist es jetzt erstmals gelungen, ein Experiment aufzubauen, in dem das Verhalten einer grossen Anzahl von Elektronen in einem magnetischen Material direkt reproduziert wird. ?Der Schl¨¹ssel zu unserem Erfolg ist eine Methode, die es uns erm?glicht, die extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, die ben?tigt werden, um Quantenmagnetismus erkunden zu k?nnen?, erkl?rt Daniel Greif, Doktorand in der Gruppe von Esslinger und Erstautor der Studie. Ihre neue Methode er-m?glichte es den Physikern, ein magnetisches System mit 5'000 Atomen zu erschaffen. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Matthias Troyer, Professor am Institut f¨¹r Theoretische Physik, untersuchen sie derzeit, ob das Verhalten dieses Systems auf einem herk?mmlichen Computer nachvollzogen werden kann.

Quantensimulatoren bieten die M?glichkeit, verschiedenste Szenarien durchzuspielen, wie Elektronen in einem magnetischen Material miteinander wechselwirken. Die Ergebnisse solcher Simulationen k?nnen dann mit dem Verhalten nat¨¹rlicher magnetischer Materialien verglichen werden. Es besteht aber auch die Aussicht darauf, magnetische Zust?nde zu entdecken, die bisher noch nicht in nat¨¹rlichen Materialien gesehen wurden. Dies wiederum k?nnte zu neuen Anwendungen f¨¹hren, sagt Esslinger: ?Die Triebfeder hinter neuen Technologien ist oft die Entwicklung neuer Materialien, wie etwa Hochtemperatur-Supraleiter, Graphen oder eben neue magnetische Materialien.?