Knifflige Triplons: Wissenschaftler erschaffen künstlichen Quantenmagneten mit Quasiteilchen aus verschränkten Elektronen

Von der Aalto-Universität, 23. August 2023

Die künstlerische Illustration zeigt magnetische Anregungen von Kobalt-Phthalocyanin-Molekülen, bei denen sich verschränkte Elektronen zu Triplonen ausbreiten. Bildnachweis: Jose Lado/Aalto University

Forschergruppe detektiert erstmals eine Quantenverschränkungswelle durch Messungen im realen Raum.

Triplons sind knifflige kleine Dinge. Experimentell sind sie außerordentlich schwer zu beobachten. Und selbst dann führen Forscher die Tests normalerweise an makroskopischen Materialien durch, bei denen die Messungen als Durchschnitt der gesamten Probe ausgedrückt werden.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Briefe zur körperlichen Untersuchung. Diese Designer-Quantenmaterialien ermöglichen es Forschern, Phänomene zu erzeugen, die in natürlichen Verbindungen nicht vorkommen, und ermöglichen letztendlich die Realisierung exotischer Quantenanregungen.

„Diese Materialien sind sehr komplex. Sie bieten sehr spannende Physik, aber die exotischsten sind auch schwierig zu finden und zu studieren. Deshalb versuchen wir hier einen anderen Ansatz, indem wir ein künstliches Material aus einzelnen Komponenten aufbauen“, sagt Professor Peter Liljeroth, Leiter der Forschungsgruppe Atomic Scale Physics an der Aalto University.

Quantenmaterialien werden durch die Wechselwirkungen zwischen Elektronen auf mikroskopischer Ebene bestimmt. Diese elektronischen Korrelationen führen zu ungewöhnlichen Phänomenen wie Hochtemperatursupraleitung oder komplexen magnetischen Zuständen, und Quantenkorrelationen führen zu neuen elektronischen Zuständen.

Im Fall von zwei Elektronen gibt es zwei verschränkte Zustände, die als Singulett- und Triplett-Zustände bekannt sind. Durch die Zufuhr von Energie kann das Elektronensystem vom Singulett- in den Triplett-Zustand angeregt werden. In einigen Fällen kann sich diese Anregung in einer als Triplon bekannten Verschränkungswelle durch ein Material ausbreiten. Diese Anregungen sind in herkömmlichen magnetischen Materialien nicht vorhanden, und ihre Messung ist bei Quantenmaterialien nach wie vor eine offene Herausforderung.

In der neuen Studie nutzte das Team kleine organische Moleküle, um ein künstliches Quantenmaterial mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Jedes der im Experiment verwendeten Kobalt-Phthalocyanin-Moleküle enthält zwei Grenzelektronen.

„Mithilfe sehr einfacher molekularer Bausteine ​​sind wir in der Lage, diesen komplexen Quantenmagneten auf eine noch nie dagewesene Weise zu konstruieren und zu untersuchen und Phänomene aufzudecken, die in seinen unabhängigen Teilen nicht zu finden sind“, sagt Drost. „Während magnetische Anregungen in isolierten Atomen seit langem mithilfe der Rastertunnelspektroskopie beobachtet werden, ist dies mit propagierenden Triplonen noch nie gelungen.“

„Mit diesen Molekülen bündeln wir Elektronen, packen sie auf engstem Raum zusammen und zwingen sie zur Wechselwirkung“, fährt Drost fort. „Wenn wir von außen in ein solches Molekül schauen, werden wir die gemeinsame Physik beider Elektronen erkennen. Da unser Grundbaustein jetzt zwei Elektronen statt nur eines enthält, sehen wir eine ganz andere Art von Physik.“

Das Team überwachte magnetische Anregungen zunächst in einzelnen Kobalt-Phthalocyanin-Molekülen und später in größeren Strukturen wie Molekülketten und Inseln. Indem die Forscher mit dem ganz Einfachen beginnen und auf zunehmende Komplexität hinarbeiten, hoffen sie, das entstehende Verhalten in Quantenmaterialien zu verstehen. In der vorliegenden Studie konnte das Team zeigen, dass die Singulett-Triplett-Anregungen ihrer Bausteine ​​molekulare Netzwerke als exotische magnetische Quasiteilchen, sogenannte Triplone, durchqueren können.

„Wir zeigen, dass wir in einem künstlichen Material eine exotische quantenmagnetische Anregung erzeugen können. „Diese Strategie zeigt, dass wir Materialplattformen rational entwerfen können, die neue Möglichkeiten in der Quantentechnologie eröffnen“, sagt Assistenzprofessor Jose Lado, einer der Co-Autoren der Studie und Leiter der Forschungsgruppe „Corlated Quantum Materials“ an der Aalto University.

Das Team plant, seinen Ansatz auf komplexere Bausteine ​​auszudehnen, um andere exotische magnetische Anregungen und Ordnungen in Quantenmaterialien zu entwerfen. Rationales Design aus einfachen Zutaten wird nicht nur zum Verständnis der komplexen Physik korrelierter Elektronensysteme beitragen, sondern auch neue Plattformen für Designer-Quantenmaterialien schaffen.

Referenz: „Real-Space Imaging of Triplon Excitations in Engineered Quantum Magnets“ von Robert Drost, Shawulienu Kezilebieke, Jose L. Lado und Peter Liljeroth, 22. August 2023, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.086701