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Kobalt-Waben könnten Quantenmaterialien günstiger machen
Günstiger Baustein für Quantenmaterialien: In dünnen Schichten aus Natriumantimonat haben Forscher mit nur vier Prozent Kobalt Hinweise auf lokale Wabenstrukturen gefunden. Die Filme zeigen bei rund 88 Kelvin ein ferromagnetähnliches Verhalten. Das System könnte damit als Plattform dienen, um Kitaev-Materialien und mögliche Quantenspinflüssigkeiten mit verbreiteteren 3d-Metallen zu untersuchen.
Osaka (Japan). Materialien mit wabenförmig angeordneten magnetischen Ionen gelten als vielversprechende Kandidaten für sogenannte Kitaev-Materialien, in denen konkurrierende Spinwechselwirkungen ungewöhnliche Quantenzustände wie Quantenspinflüssigkeiten begünstigen können. Solche Zustände werden auch deshalb erforscht, weil darin exotische Anregungen mit Bezug zu Majorana-Fermionen auftreten könnten.
Viele bisher untersuchte Kandidaten enthalten jedoch Ruthenium oder Iridium. Beide Metalle sind selten und teuer. Kobalt gehört dagegen zu den 3d-Übergangsmetallen und ist wesentlich leichter verfügbar, doch seine Eignung für solche Wabengeometrien in dünnen Oxidschichten war bislang kaum erforscht.
Forscher von The University of Osaka (UOsaka) um Hao-Bo Li haben nun Natriumantimonat (NaSbO₃), das selbst bereits eine geschichtete Wabenstruktur besitzt, mit etwa vier Prozent Kobalt dotiert.
Mit Rastertransmissionselektronenmikroskopie und mehreren Oberflächenanalysen prüfte das Team Struktur, Kobaltkonzentration und Oxidationszustand. Die Daten sprechen dafür, dass sich Co²⁺-Ionen lokal zu kantenverknüpften CoO₆-Oktaedern in Wabenmotiven zusammenschließen, während die Wabenstruktur des Natriumantimonats erhalten blieb.
„Bisherige Arbeiten auf diesem Gebiet waren weitgehend auf seltene Metalle wie Ruthenium und Iridium beschränkt. Wir fragten uns, ob Kobalt, eines der häufigsten Übergangsmetalle der Erde, dieselbe Wabenstruktur bilden und dieselbe faszinierende Physik zeigen könnte“, erklärt Hao-Bo Li.
Magnetische Messungen zeigten bei rund 88 Kelvin einen ferromagnetähnlichen Übergang, den Erste-Prinzipien-Rechnungen mit den lokalen CoO₆-Waben in Verbindung bringen. Zugleich könnten Dipolwechselwirkungen zwischen benachbarten Schichten zu einer antiferromagnetischen Kopplung führen, bei der sich die magnetische Ausrichtung benachbarter Lagen gegeneinander richtet.
„Was uns begeistert, ist, dass sich diese Kobaltwaben offenbar ganz natürlich bilden, ohne besondere Tricks. Sie erzeugen sogar ein klares magnetisches Signal, das mit dem übereinstimmt, was die Theorie für diese Struktur vorhersagt“, erklärt Prof. Hidekazu Tanaka von UOsaka.
Entscheidend ist jedoch, was die Studie noch nicht zeigt: Weder eine Quantenspinflüssigkeit noch Majorana-Anregungen wurden nachgewiesen. Die Arbeit liefert zunächst Hinweise darauf, dass sich lokale Kobaltwaben in einem gut kontrollierbaren Dünnfilm bilden lassen und ein klar messbares magnetisches Verhalten zeigen.
Der mögliche Vorteil liegt vor allem im Material selbst, denn Kobalt ist vergleichsweise günstig, weit verfügbar und bereits in der Halbleiterfertigung etabliert. Damit könnte es eine praktischere Ausgangsbasis für die Suche nach Kitaev-Materialien bilden als seltene 4d- und 5d-Metalle.