In unserem Alltag haben wir meistens mit Phasenübergängen zu tun, die durch eine Temperaturänderung verursacht werden - wir kochen Wasser, um Tee aufzubrühen oder wir frieren Saft ein, um Eis zu machen. Die Zustandsänderungen, die wir dabei beobachten können, geschehen dabei schnell und nicht allmählich. In der Physik unterscheiden wir zwei Arten von Phasenübergängen - diskontinuierliche und kontinuierliche. Letztere kommen in unserer alltäglichen Erfahrung nicht vor, sind aber Forschungsgegenstand im physikalischen Labor. So sind die Phasenübergänge in magnetischen Materialien typischerweise kontinuierlich.
Kontinuierliche Phasenübergänge sind durch einen kritischen Punkt gekennzeichnet, der die verschiedenen Phasen voneinander trennt. Das Verhalten des Systems in der Nähe eines solchen kritischen Punktes kann umfassender analysiert werden als bei einem diskontinuierlichen Phasenübergang. Darum sind kontinuierliche Phasenübergänge für Physiker*innen besonders interessant. Sie erlauben auf diese Weise detaillierte Vorhersagen über das Materialverhalten unter bestimmten Bedingungen.
In der Forschung an Quantenmaterialien sind Phasenübergänge interessant, die bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem Nullpunkt auftreten. Die Übergänge werden durch die Änderung äußerer Einflüsse, wie beispielsweise durch Druck oder ein äußeres Magnetfeld oder durch Variationen von Parametern der Theorie hervorgerufen.
Die Masterstudentin Vira Shyta untersuchte in ihrer Masterarbeit das Verhalten eines bestimmten Typs von zweidimensionalen Quanten-Antiferromagneten. Diese besitzen eine magnetische Ordnung, bei der ihre Spins in einem regelmäßigen Muster ausgerichtet sind. Benachbarte Spins zeigen dabei in entgegengesetzte Richtungen. Die Physikerin zwang die Spins in theoretischen Berechnungen in einer Ebene zu liegen anstatt in alle drei Richtungen zu zeigen. Die „Stellschraube“ nennt sich Anisotropie und beschreibt die Richtungsabhängigkeit im Material.
„Unsere Motivation, dieses spezielle System zu untersuchen, rührt daher, dass es unter Physikern keinen Konsens über die Art des Phasenübergangs gibt, der auftritt, wenn Quantenfluktuationen so stark werden können, dass sie die magnetische Ordnung zerstören. Wir haben unsere Theorie zusätzlich modifiziert, indem wir eine nicht-triviale Topologie der elektromagnetischen Felder berücksichtigt haben, die magnetische Wirbel bilden können. Diese Änderung führte schließlich zu noch faszinierenderen Ergebnissen, als wir erwartet hatten“ erläutert Vira Shyta. "Unsere Arbeit beweist und erklärt die Existenz eines kontinuierlichen Übergangs in diesem System und erlaubt uns einige sehr präzise Vorhersagen über das Materialverhalten nahe des kritischen Punktes in der Theorie. Ich bin sehr zufrieden mit den Ergebnissen, da sie tatsächlich experimentell in Spin-Flüssigkeits-Systemen und Doppelschicht-Quanten-Hall-Systemen getestet werden können."
Vira Shyta's Projekt wurde durch ein Stipendium von UKRATOP unterstützt, das den Austausch von Studenten und Wissenschaftlern zwischen Dresden und der Ukraine fördert. Nach dem Abschluss ihres Masterstudiums an der Kyiv Academic University setzt sie ihre Promotion am IFW fort.
Wissenschaftlicher Kontakt:
Vira Shyta
v.shyta(at)ifw-dresden.de
Medienkontakt
Patricia Bäuchler
p.baeuchler(at)ifw-dresden.de
