Festkörperphysiker*innen der Universität zu Köln haben zusammen mit internationalen Kolleg*innen im Kölner Labor hergestellte Kristalle aus dem Material BaCo₂V₂O₈ untersucht und dabei entdeckt, dass die magnetischen Elementar-Anregungen im Kristall nicht nur durch Anziehungskräfte, sondern auch durch abstoßende Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Hieraus resultiert allerdings eine geringere Stabilität, was die Beobachtung solch repulsiv gebundener Zustände umso überraschender macht. Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel “Experimental observation of repulsively bound magnons“ im Journal Nature veröffentlicht.

Der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Thomas Lorenz vom II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln gelang es, künstliche Kristalle des Materials BaCo₂V₂O₈ herzustellen, die in ihrer Kristallstruktur schraubenförmige Ketten von magnetischen Kobalt-Atomen enthalten.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Augsburg, Bonn, Dortmund, Dresden, Genf und Prince George wurden die BaCo₂V₂O₈-Kristalle mit elektromagnetischen Terahertz-Wellen bestrahlt, um die kollektiven magnetischen Anregungen in dem System in hohen Magnetfeldern zu studieren. Neben den üblichen niederenergetischen Elementar-Anregungen, den so genannten Magnonen, haben die Forschenden dabei auch gebundene Zwei- und Drei-Magnonen-Zustände entdeckt.

Die Besonderheit dieser gebundenen Mehr-Magnonen-Zustände besteht darin, dass sie nicht durch Anziehungskräfte, sondern durch abstoßende (repulsive) Wechselwirkungen zusammengehalten werden. „Die Identifikation dieser Zustände verdanken wir einer sehr erfolgreichen Zusammenarbeit experimenteller und theoretischer Arbeitsgruppen im Rahmen unseres in Köln ansässigen Sonderforschungsbereiches 1238 zum Thema ‚Kontrolle und Dynamik von Quantenmaterialien‘“, so Professor Lorenz.

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1238 "Kontrolle und Dynamik von Quantenmaterialien" vereint seit 2016 ein Team aus der experimentellen und theoretischen Physik sowie der Kristallographie in Köln, ergänzt durch Gruppen der Universität Bonn und des Forschungszentrums Jülich. Die Vision des SFBs ist es, neue kollektive Phänomene und neue Funktionalitäten in Quantenmaterialien zu entdecken, zu verstehen und zu kontrollieren.

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Zur Publikation:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07599-3