Quantenkritisches Verhalten und neue Phasen bei ultratiefen Temperaturen

Anregungen frieren aus, wenn wir Festkörper auf tiefe Temperaturen abkühlen. Abgesehen von Nullpunktschwankungen, die in Festkörpern als nicht detektierbar gelten, ist am absoluten Temperaturnullpunkt alles in völliger Ruhe. Mit einer Ausnahme: Quantenkritische Punkte, an denen das Material durch kollektive Quantenfluktuationen buchstäblich durchgeschüttelt wird. Quantenkritisches Verhalten wurde in verschiedensten Systemen einschließlich den Cuprat- und Pniktid-Supraleitern, niedrigdimensionalen und frustrierten Quantenmagneten, organischen Leitern, Mehrschicht-3He-Filmenund Schwere-Fermionen-Verbindungenbeobachtet. Untersuchungen an letzteren sind besonders detailliert und haben Modellcharakter. Trotz der Vielzahl an Untersuchungen bleiben aber wesentliche Fragen offen. So fehlen zum Beispiel für die meisten quantenkritischen Schwere-Fermionen-Verbindungen universelle Skalierungskurven über Größenordnungen in der Temperatur, Eckpfeiler der klassischen Kritikalität. Ebenso ist unklar, ob das Auftreten von unkonventioneller Supraleitung oder anderen neuen Phasen der Nähe von quantenkritischen Punkten universell ist oder zwischen verschiedenen Klassen von quantenkritischen Punkten unterscheidet. Im vorliegenden Projekt sollen diese und weitere Fragen beantwortet werden, indem der für Messungen zugängliche Temperaturbereich um mehr als zwei Größenordnungen über den Stand der Technik hinaus auf den Mikrokelvin-Bereich ausgedehnt wird. Dazu werden wir einen Kernentmagnetisierungskryostaten, Herzstück des von unserer Gruppe betriebenen Vienna Microkelvin-Labors, verwenden. Unser jüngster Durchbruch, elektrische Transportmessungen unterhalb von 100 Mikrokelvin, versetzt uns jetzt in die einzigartige Lage, das Feld erheblich voranzubringen. Einige der interessantesten quantenkritischen Materialien, sowohl von uns als auch von internationalen Mitarbeitern gezüchtet und für das Projekt zur Verfügung gestellt, sollen untersucht werden. Intensiver Austausch ist auch mit renommierten Theoretikern geplant. Wir erwarten, dass unsere Untersuchungen nicht nur wichtige offene Fragen im Gebiet der Schwere-Fermionen-Verbindungen und Quantenkritikalität beantworten, sondern auch völlig neue Phänomene aufdecken. Zudem dürften unsere Untersuchungen auch das Verständnis von Quantenphasenübergängen in anderen Materialklassen verbessern und könnten sogar Auswirkungen auf völlig andere Gebiete wie die Spintronik, Quanteninformation oder Hochenergiephysik haben.

Quantenkritisches Verhalten und neue Phasen bei ultratiefen Temperaturen Anregungen frieren aus, wenn wir Festkörper auf tiefe Temperaturen abkühlen. Abgesehen von Nullpunktschwankungen, die in Festkörpern als nicht detektierbar gelten, ist am absoluten Temperaturnullpunkt alles in völliger Ruhe. Mit einer Ausnahme: Quantenkritische Punkte, an denen das Material durch kollektive Quantenfluktuationen buchstäblich durchgeschüttelt wird. Quantenkritisches Verhalten wurde in verschiedensten Systemen einschließlich den Kuprat- und Pniktid-Supraleitern, niedrigdimensionalen und frustrierten Quantenmagneten, organischen Leitern, Mehrschicht-3He-Filmen und Schwere-Fermionen-Verbindungen beobachtet. Untersuchungen an letzteren sind besonders detailliert und haben Modellcharakter. Trotz der Vielzahl an Untersuchungen bleiben aber wesentliche Fragen offen. So fehlen zum Beispiel für die meisten quantenkritischen Schwere-Fermionen-Verbindungen universelle Skalierungskurven über Größenordnungen in der Temperatur, - Eckpfeiler der klassischen Kritikalität. Ebenso ist unklar, ob das Auftreten von unkonventioneller Supraleitung oder anderen neuen Phasen der Nähe von quantenkritischen Punkten universell ist oder zwischen verschiedenen Klassen von quantenkritischen Punkten unterscheidet. Das vorliegende Projekt sollte diesen und verwandten Fragen auf den Grund gehen. Dazu wurde der zugängliche Temperaturbereich um mehr als zwei Größenordnungen über den Stand der Technik hinaus in den Mikrokelvin-Temperaturbereich erweitert. Mit einem Kernentmagnetisierungs-Kryostaten haben wir hochauflösende elektrische Transportmessungen an einem prototypischen Schweren-Fermion-Material bis zu Temperaturen deutlich unter 1 Millikelvin durchgeführt. Als eines unserer wichtigsten Ergebnisse haben wir unkonventionelle Supraleitung entdeckt, die unmittelbar aus dem Zustand eines "seltsamen Metalls" mit extremer Ausprägung (der elektrische Widerstand ist hier über 3,5 Größenordnungen streng linear in der Temperatur) kondensiert. Dies legt nahe, dass die diesem Verhalten zugrunde liegenden fermionischen quantenkritischen Fluktuationen für die Cooper-Paar-Bildung verantwortlich sind. Dieser neue Mechanismus könnte auch für andere Materialklassen relevant sein. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zu einem Ultratieftemperatur-Supraleiter auch für andere Materialklassen relevant sind, und vielleicht sogar der Schlüssel zum Verständnis der Kuprat-Hochtemperatur-Supraleiter sind.