"Halb Eis, halb Feuer":
Physiker entdecken neue Phase der Materie

Am Anfang war das Feuer! ... oder doch das Eis? Eine neue Materiephase, entdeckt am Brookhaven National Laboratory in den USA, vereint beide Extreme und könnte die Grundlage für effizientere Quantencomputer und neuartige Kühlsysteme bilden.

Neue Materiephase: Quantensprung für Computerchips?

Die von den Forschern als "Halb Eis, halb Feuer" bezeichnete Phase tritt in speziellen magnetischen Materialien auf, sogenannten Ferrimagneten. In diesen Stoffen existieren die magnetischen Eigenschaften der Elektronen, auch Spins genannt, in zwei gegensätzlichen Zuständen: Ein Teil ist hoch geordnet und stabil wie Eis, der andere chaotisch und energiereich wie Feuer.

Ein solches Verhalten wurde so noch nie beobachtet, doch die neue Phase bietet noch mehr Überraschungen: bei einer präzisen Temperatur passiert ein blitzschneller Wechsel zwischen den Zuständen. In dem untersuchten Modell tauschen Kupfer- und Iridiumatome quasi auf Knopfdruck ihre magnetischen Eigenschaften aus. Dieser Übergang passiert in einem extrem engen Temperaturbereich von weniger als einem Kelvin.

Die Suche nach neuen Zuständen mit exotischen physikalischen Eigenschaften - und die Fähigkeit, die Übergänge zwischen diesen Zuständen zu verstehen und zu kontrollieren - sind zentrale Probleme in der Physik der Festkörper und der Materialwissenschaft.

"Wir vermuten, dass unsere Ergebnisse eine neue Tür zum Verständnis und zur Kontrolle von Phasen und Phasenübergängen in bestimmten Materialien öffnen könnten", erklärt Alexei Tsvelik, Mitautor der in Physical Review Letters veröffentlichten Studie. Diese scharfen Übergänge könnten bedeutende Auswirkungen auf verschiedene technologische Bereiche haben.

Mitautor Weiguo Yin erklärt dazu: "Das Lösen solcher Probleme könnte zu großen Fortschritten in Technologien wie Quantencomputing und Spintronik führen." Die Forscher erwähnen auch, dass der ultrascharf schaltbare Phasenwechsel mit einer großen Änderung der magnetischen Entropie einhergeht, was für innovative Kühltechnologien von Interesse sein könnte.

Jahre geforscht

Die Entdeckung resultiert aus jahrelanger Forschung an Sr₃CuIrO₆ - einer komplexen magnetischen Verbindung aus Strontium, Kupfer, Iridium und Sauerstoff. Als nächstes planen die Physiker, ihr Modell auf noch komplexere Systeme auszuweiten. Diese Forschung könnte den Weg für verschiedene Anwendungen ebnen: stabilere Quantencomputer, energieeffizientere Elektronik, präzisere Sensoren oder leistungsfähigere Datenspeicher sind denkbar. Ob sich diese Potenziale tatsächlich realisieren lassen, werden weiteren Studien und Experimente zeigen.


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