Quantenverschränkung in Quasiteilchen: der Stealth-Modus gegen Unordnung

Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben eine Entdeckung gemacht, die zu einem besseren Verständnis der Quantenverschränkung in den Kuprat-basierten Hochtemperatur-Supraleitern beitragen könnte. Die Quasiteilchen dieser rätselhaften Quantenmaterialien, so genannte Zhang-Rice-Singuletts, erweisen sich bezüglich extremer Unordnung im Material als überraschend robust. Diese Widerstandsfähigkeit der Teilchen in ansonsten glasartiger elektronischer Umgebung ist durch deren Quantenverschränkung bedingt – eine Form der Quantenbindung, die ein Loch und einen Spin zu einem effektiven Quasiteilchen zusammenbindet und es dem Teilchen somit erschwert, an Verunreinigungen zu streuen.

Über die Robustheit von Quasiteilchen

Stellen Sie sich ein Liebespaar vor, wie es an einem belebten Tag Hand in Hand über den Marktplatz schlendert: Um dem Paar ein Durchkommen zu ermöglichen, muss die Menschenmenge zur Seite weichen, wodurch sie sich in der Umgebung des Paars verdichtet. Dessen Bewegung wird dadurch verlangsamt. Von oben betrachtet würden sich Paar und umgebende Menschentraube scheinbar als Einheit bewegen. Im Festkörper bestimmen solche effektive Einheiten aus Teilchen und verdrängter Umgebung typischerweise dessen niederenergetisches Anregungsspektrum und werden als Quasiteilchen bezeichnet.

In einem Metall bestehen die Quasiteilchen aus Elektronen, umgeben von einer Polarisationswolke aus anderen Elektronen. Elektron und Polarisation bewegen sich dabei gemeinsam kohärent. Bei dieser Bewegung streuen die Quasiteilchen an den Verunreinigungen und der Unordnung im Metall, wodurch die Bewegung der Elektronen behindert wird. Es entsteht ein elektrischer Widerstand. Für unser fiktives Szenario auf dem Marktplatz bedeutet dies, dass unsere beiden Turteltauben nicht einfach durch ein Hindernis, etwa einen Laternenpfahl, hindurchmarschieren können. Stattdessen müssen sie diesen umgehen, was wiederum die Bewegung des Paares verlangsamt.

Tanzend durch mögliche Hindernisse

In einer nun im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlichten Studie berichtet das Team um Forscher der JMU, dass die Quasiteilchen in Kuprat-Verbindungen offenbar nur sehr selten streuen. Diese Materialien bestehen aus einer komplexen Schichtstruktur aus Kupfer und Sauerstoff und sind im dotierten Zustand vor allem für ihre Supraleitung bei hohen Temperaturen bekannt. Die Quasiteilchen in diesen Kupraten sind sogenannte Zhang-Rice-Singuletts (ZRS), also eine verschränkte Vereinigung aus Sauerstoffloch und Kupferspin, welche sich in einem quantenmechanischen Tanz durch den Kristall bewegt.

Die Würzburger Wissenschaftler testeten diese Quasiteilchen in einer ausgesprochen ungeordneten Kuprat-Verbindung, in der bis zu 40 Prozent der Kupferatome zufällig durch Lithium ersetzt wurden. Die Unordnung ist dadurch so groß – unser "Marktplatz" also so voller Hindernisse – dass sie die normalen Elektronen völlig zum Stillstand bringt. Physiker bezeichnen ein solches System auch als Elektronenglas, da sich die Elektronen darin wie die Atome in einem Glas im Vergleich zum Beobachtungszeitraum nur sehr langsam bewegen. Mit anderen Worten: Es gibt kein vor und zurück mehr für die Besucher unseres Marktplatzes, die Bewegung fließt nur sehr zäh dahin.

Der betörende Tanz aus Loch und Spin im Zhang-Rice-Singulett Quasiteilchen bleibt jedoch – allen Widrigkeiten zum Trotz – durch die Verunreinigungen des Materials völlig ungestört. Es ist ihre Quantenverschränkung, die deren Streuung an Störstellen unterdrückt und so dafür sorgt, dass diese sich durch das Material bewegen können, als gäbe es auf dieser Tanzfläche für sie keine Hindernisse.

Die Bedeutung der Entdeckung

Dieser Erstauftritt des Zhang-Rice-Singuletts in einem Kuprat-basierten Elektronenglas zeigt die stabilisierende Wirkung der Quantenverschränkung in Quasiteilchen. Über das Verständnis der Kuprat-Supraleiter hinaus könnten diese Erkenntnisse weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis zukünftiger Technologien haben, welche explizit auf Quantenkohärenz basieren. Insbesondere die Fähigkeit, Quantenzustände mit Hilfe von Quantenverschränkung gegenüber externen Störungen zu schützen, könnte eine entscheidende Rolle bei der Realisierung neuartiger Quantencomputer spielen.

Teile dieser Arbeit sind das Ergebnis von Kooperationen innerhalb des Exzellenzclusters ct.qmat, Complexity and Topology in Quantum Matters, einer Zusammenarbeit der JMU mit der TU Dresden.

Originalpublikation

A. Consiglio, G. Gatti, E. Martino, L. Moreschini, J. C. Johannsen, K. Prša, P. G. Freeman, D. Sheptyakov, H. M. Rønnow, R. Scopelliti, A. Magrez, L. Forró, C. Schmitt, V. Jovic, C. Jozwiak, A. Bostwick, E. Rotenberg, T. Hofmann, R. Thomale, G. Sangiovanni, D. Di Sante, M. Greiter, M. Grioni, und S. Moser: "Electron glass phase with resilient Zhang-Rice singlets in LiCu3O3" in: Physical Review Letters. 12. Februar 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.126502

Exzellenzcluster ct.qmat

Das Forschungsteam ist beteiligt am Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien). Dieses wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden getragen. Mehr als 300 Forschende aus mehr als 30 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen überraschende Phänomene offenbaren – etwa bei ultratiefen Temperaturen, unter hohem Druck oder in starken Magnetfeldern. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen des Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert, als einziges bundesländerübergreifendes Cluster in Deutschland.

Kontakt

Dr. Simon Moser, Experimentalphysik IV, Tel: +49 931 31-83553, E-Mail: simon.moser@physik.uni-wuerzburg.de