04.01.2019
RIXS-Spektroskopie enthüllt neuartigen Anregungskanal
Die Heisenberg'sche Spinkette ist eines der einfachsten Modelle der Quantenmechanik. Es beschreibt eine Kette von wechselwirkenden Teilchen mit Spin, wie beispielsweise Elektronen, deren Spins sich zueinander ausrichten. Eine internationale Forschergruppe hat nun mit Hilfe der Röntgenstreuungstechnik RIXS einen neuartigen Prozess beobachtet, der die Ausrichtung der Spins ändert. "Dies eröffnet die Möglichkeit, eine ganz neue Welt unbekannter Quantenzustände zu erforschen", erklärt European XFEL-Wissenschaftlerin Justine Schlappa, die Erstautorin der Studie ist. Die Ergebnisse wurden diese Woche in Nature Communications veröffentlicht.
Spinketten erklären zum Beispiel, wie Wechselwirkungen in Quantenmaterialien, wie sie für den Magnetismus relevant sind, funktionieren. In magnetischen Materialien zeigen die Spins der Elektronen alle in die gleiche Richtung, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Die Heisenberg'sche Kette kann als Netzwerk von ausgerichteten Spinsequenzen betrachtet werden. Da jeder Spin stark mit seinen beiden direkten Nachbarn gekoppelt ist, ändert sich beim Umkehren eines Spins auch die Spinrichtung seiner Nachbarn. Dadurch breitet sich die Störung in der gesamten Kette aus. Eine solche Spinstörung kann durch verschiedene äußere Einflüsse ausgelöst oder "angeregt" werden, zum Beispiel durch Röntgenstrahlen.
Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) ist eine Spektroskopietechnik, die Informationen über die Verteilung dieser Anregungen liefert. In dem in der Veröffentlichung beschriebenen Experiment beobachteten die Wissenschaftler mit RIXS einen neuartigen Weg zur Erzeugung von Spinanregungen, der mit anderen Methoden nicht beobachtet werden kann. RIXS eröffnet daher die Möglichkeit, eine ganz neue Welt unbekannter Quantenzustände zu erforschen und so potenziell zur Entwicklung von Quantencomputern und neuen Lösungen für die Datenspeicherung beizutragen. Untersuchungen solcher Zustände werden demnächst mit dem Heisenberg RIXS (hRIXS)-Spektrometer möglich sein, das derzeit für die SCS-Experimentierstation am European XFEL gebaut wird und 2019 als erstes derartiges Instrument an einer Freie-Elektronen-Laserquelle installiert werden soll. Mitglieder des auf European XFEL-Seite von Justine Schlappa koordinierten hRIXS-Nutzerkonsortiums sind unter anderem die Universität Potsdam, DESY und die Universität Mailand. Die SCS-Experimentierstation wurde im Dezember 2018 in Betrieb genommen.
Quelle: European XFEL GmbH