Phasendiagramm und spektroskopische Signaturen eines Supersolids im quanten Ising-Magneten K2Co(SeO3)2

Die seltsame Welt der Festkörper, die fließen

Stellen Sie sich ein Material vor, das zugleich ein starrer Kristall und eine reibungsfreie Flüssigkeit ist. Dieser kontraintuitive Zustand, „Supersolid“ genannt, fasziniert Physiker seit Jahrzehnten, ließ sich aber in realen Materialien nur schwer eindeutig nachweisen. In dieser Arbeit zeigen die Forschenden, dass ein Kobalt-basiertes Magnetmaterial, K2Co(SeO3)2, genau so exotisch reagiert. Durch sorgfältiges Kartieren, wie sich seine Spins – winzige atomare Magneten – bei extremen Kältegraden und starken Magnetfeldern anordnen und schwanken, enthüllen sie nicht nur eine, sondern zwei verschiedene Supersolid-Phasen und eröffnen damit ein neues, experimentell zugängliches Fenster zu einigen der eigenartigsten Formen quantenmechanischer Materie.

Ein flaches magnetisches Spielgelände

Der Schlüssel zu dieser Entdeckung ist Geometrie und Frustration. In K2Co(SeO3)2 sitzen die magnetischen Kobalt-Ionen auf flachen, dreieckigen Schichten. Auf einem solchen Gitter bevorzugen benachbarte Spins entgegengesetzte Ausrichtungen, doch drei Spins in einem Dreieck können diese Regel nicht gleichzeitig erfüllen. Diese „Frustration“ führt zu einer großen Anzahl nahezu gleichwertiger Anordnungen, ähnlich einem durcheinandergeratenen Kartenstapel, bei dem viele Muster fast dieselbe Energie kosten. Bei null Magnetfeld und niedrigen Temperaturen zeigen Neutronenstreu-Experimente, dass die Spins ein sich wiederholendes Muster mit einer größeren, dreistelligen Einheit wählen und damit die regelmäßige Abstände des Kristalls brechen. Gleichzeitig frieren die Spins nicht vollständig ein: Die Größe des geordneten Moments ist stark reduziert, was auf intensive quantenmechanische Bewegung hinweist, die das System zwischen Ordnung und Unordnung schweben lässt.

Wenn Ordnung und Fluss koexistieren

Um zu klären, ob dieser unruhige Zustand ein Supersolid ist, untersuchte das Team nicht nur die Anordnung der Spins, sondern auch ihre Dynamik. Mittels sehr empfindlicher Neutronenspektroskopie fanden sie, dass das System breite Bänder magnetischer Anregungen trägt, statt der scharfen Wellen, die man in einem einfachen Magneten erwarten würde. An einem speziellen Wellenvektor, bestimmt durch das dreieckige Muster, beobachteten sie gleichzeitig zwei Schlüsselmerkmale: einen Modus, dessen Energie bis auf null geht, und einen weiteren mit einer winzigen, aber endlichen Lücke. In der Sprache der Symmetrien deuten diese Erscheinungen darauf hin, dass das System sowohl eine kontinuierliche Spin-Rotationssymmetrie bricht (analog zu einem Superfluid, das widerstandslos fließen kann) als auch eine diskrete Translationssymmetrie (analog zu einem Kristall mit periodischer Dichteverteilung). Zusammen sind dies die beiden Kennzeichen eines Supersolids in diesem magnetischen Kontext.

Eine quantitative Phasenkarte im Magnetfeld

Durch Anlegen eines Magnetfeldes entlang der leichte Achse der Spins können die Forschenden das Gleichgewicht zwischen konkurrierenden Anordnungen steuern. Messungen der Wärmekapazität und Magnetisierung über einen weiten Bereich von Temperaturen und Feldern liefern ein detailliertes Phasendiagramm. In mäßigen Feldern ordnen sich die Spins in einem „up–up–down“-Muster auf jedem Dreieck an, was zu einem robusten Plateaueffekt führt, bei dem die Magnetisierung auf ein Drittel ihres Maximalwerts einrastet. Dieser Phasenübergang verhält sich wie für ein bekanntes zweidimensionales Potts-Modell vorhergesagt und bestätigt, dass die zugrundeliegenden Wechselwirkungen dem idealen theoretischen Fall sehr nahekommen. Bei niedrigeren Feldern zeigen die Daten, dass das System glatt in das Supersolid-Regime bei niedrigen Feldern übergeht, wo lange, aber nicht unendliche Korrelationslängen effektiv die Dreiteil-Untergitter-Symmetrie sogar bei null Feld brechen.

Ein zweites Supersolid nahe voller Polarisation

Die Überraschungen enden nicht bei hohen Feldern. Wenn die Magnetisierung der Sättigung nahekommt, zeigen detaillierte Magnetisierungs- und Entropiemessungen eine zusätzliche Phase, die zwischen dem Ein-Drittel-Plateau und dem vollständig ausgerichteten Zustand liegt. Die Theorie für dasselbe Dreiecksgitter-Modell sagt voraus, dass das System in diesem Feldfenster erneut ein Supersolid beherbergt: Die Spins sind fast alle ausgerichtet, doch ein kleiner Anteil kann sich noch kohärent bewegen und erzeugt so einen gemischten Zustand mit sowohl starrer Ordnung als auch quantenmechanischem Fluss. Das Experiment stimmt mit diesen Vorhersagen überein, inklusive des scharfen, ersten-Ordnung-ähnlichen Sprungs, der beim Betreten dieses Hochfeld-Supersolids erwartet wird. Durch Analyse des Spinwellen-Spektrums in der Plateauphase bestimmt das Team außerdem die Stärke der Wechselwirkungen und zeigt, dass nur nächste Nachbarn einen signifikanten Beitrag leisten, wodurch K2Co(SeO3)2 eine ungewöhnlich saubere Realisierung des idealen Modells darstellt.

Warum das für Quantensysteme wichtig ist

Für Nicht-Spezialisten lautet die Kernbotschaft: K2Co(SeO3)2 dient als Labor für Materie, die sich scheinbar widersprüchlich verhält — gleichzeitig fest und superfluid. In diesem Magneten bilden die Spin-Positionen ein sich wiederholendes Muster wie Atome in einem Kristall, während ihre quantenmechanische Bewegung delokalisiert und kohärent bleibt, wie in einer Flüssigkeit. Die Kombination erzeugt Supersolid-Phasen, die keine bloßen theoretischen Kuriositäten sind, sondern jetzt detailliert kartiert und mit leistungsfähigen spektroskopischen Methoden untersucht werden. Da die relevanten Energieskalen deutlich höher liegen als bei früheren Kandidaten, erlaubt dieses Material präzise Messungen und scharfe Theorietests und stellt damit ein Referenzsystem dar, um zu verstehen, wie Quantenschwankungen völlig neue Materiezustände formen können.

Zitation: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Schlüsselwörter: Supersolid, frustrierte Magnetismus, dreieckiges Gitter, quantenspin-System, Neutronenstreuung