Das Team nutzte die polarisierte Neutronenstreuung, um die Struktur der Spins im Material bei Temperaturen bei 20 bis 59 Millikelvin zu ermitteln – nahe dem absoluten Nullpunkt. Zusätzlich führten sie Messungen der spezifische Wärmekapazität durch, die Rückschlüsse auf die energetischen Zustände im Cer-Zirkon-Oxid erlauben.

Wellenförmige Spin-Reaktion als Beleg

Das Ergebnis: „Wir konnten erstmals Signale beobachten, die einen überzeugenden Hinweis auf eine dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit liefern, insbesondere die sogenannten emergenten Photonen“, berichtet Bühler-Paschen. Dabei handelt es sich um magnetische Effekte, die sich wie Photonen in Lichtwellen verhalten: Werden die Spins der Quanten-Spinflüssigkeit angeregt, zeigen sie aufgrund ihrer Verschränkung eine wellenähnliche kollektive Anregung.

Genau diese Spinwellen haben die Physiker im ultrakalten Cer-Zirkon-Oxid nun entdeckt. „Die Entdeckung dieser emergenten Photonen in Cer-Zirkon-Oxid ist ein sehr starker Hinweis darauf, dass wir tatsächlich eine Quanten-Spin-Flüssigkeit gefunden haben“, sagt Bühler-Paschen. Die Messdaten stimmten in Energie, Impuls und Polarisation nahezu perfekt mit den theoretischen Vorhersagen überein. Zusammen mit der Unordnung der magnetischen Spins belegt dies, dass Cer-Zirkon-Oxid eine Quanten-Spinflüssigkeit bilden kann.

„Bedeutende Frage beantwortet“

Nach Jahrzehnten der Suche könnte das Team damit eine Quanten-Spinflüssigkeit erstmals auch bei einem dreidimensionalen Material nachgewiesen haben. „Wir haben damit eine bedeutende offene Frage beantwortet“, erklärt Seniorautor Pengcheng Dai von der Rice University. Denn das Experiment belege, dass sich Cer-Zirkon-Oxid wie ein echtes Quanten-Spineis verhalte – eine spezielle dreidimensionale Klasse der Quanten-Spinflüssigkeiten.

Spannend ist dieser Nachweis aber nicht nur für die Grundlagenforschung. Materialien mit einem solchen exotischen Zustand könnten auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Supraleitern, Quantencomputern und anderen Quantentechnologien eröffnen. Die Forschenden planen bereits weitere Studien mit höherer Auflösung sowie an verwandten Materialien. (Nature Physics, 2025; doi: 10.1038/s41567-025-02922-9)

Quelle: Technische Universität Wien, Rice University







8. Juli 2025

– Nadja Podbregar