Während die durch Phononen bedingte Supraleitung in Elementen wie Quecksilber oder Blei im Rahmen der BCS-Theorie gut verstanden ist, bleibt die unkonventionelle Supraleitung in Materialien, die starken elektronischen Korrelationen unterliegen, seit ihrer Entdeckung vor mehr als 40 Jahren rätselhaft. Das Phänomen wird häufig in der Nähe von Phasenübergängen und kritischen Punkten bei niedrigen Temperaturen beobachtet.

Die gegenseitige Coulomb-Abstoßung U der Leitungselektronen kann ihre Bewegung in Materialien mit einem halbgefüllten Band stoppen und so einen vollständigen Zusammenbruch des metallischen Verhaltens verursachen. Der resultierende isolierende Zustand wird als Mott-Isolator bezeichnet, nach dem Nobelpreisträger Sir Nevill Mott. Hier untersuchen wir organische Verbindungen, die Mott-Physik bei Temperaturen von einigen 100 K aufweisen, die leicht in kryogenen Experimenten mit flüssigem Helium zugänglich sind. Beachten Sie, dass dies einen beispiellosen Einblick in korrelierte Quantenzustände bietet, die Temperaturen von mehreren 1000 K oder sogar 10000 K in Übergangsmetall-Oxiden erfordern würden, wie Vanadiumoxid oder die Hoch-T_c-Kuprate.

Die Ladungslokalisation in Mott-Isolatoren umfasst natürlicherweise antiferromagnetische Wechselwirkungen durch den itineranten Austauschmechanismus: Die Quantennatur der Elektronen führt zu virtuellen Hüpfprozessen zwischen benachbarten Plätzen, proportional zum Transferintegral t. Dies erfordert eine antiparallele Ausrichtung von zwei Spins, während sie - virtuell - auf demselben Atom gemäß dem Pauli-Prinzip verweilen, was eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung J~t2/U bedingt. Typischerweise führt dies unterhalb der Néel-Temperatur T_N zu antiferromagnetischer Ordnung, die vergleichbar mit J/k_B ist. Geometrische Frustration, die aus einer dreieckigen Anordnung der Spins resultiert, kann jedoch eine langreichweitige magnetische Ordnung bis zur Nulltemperatur verhindern, selbst in Gegenwart starker Austauschwechselwirkungen (in der Größenordnung von 100 K). Es wurde vorgeschlagen, dass dies zu einem exotischen Zustand führen kann, in dem kohärente Spinanregungen frei durch den Mott-Isolator propagieren, während die elektronische Ladung vollständig an die Gitterplätze gebunden ist. Analog zu einer Fermi-Flüssigkeit in einem herkömmlichen Metall wurde der zugehörige fermionische Zustand als 'quantenmechanische Spinflüssigkeit' bezeichnet. Doch die Geschichte ist nicht so einfach, denn andere Arten von Phasenübergängen, beispielsweise solche, die die Kristallstruktur mit den magnetischen Freiheitsgraden koppeln, können mit dem vorgeschlagenen itineranten Spin-Zustand interferieren. Wir führen hochmoderne Forschung durch, bei der NMR als ideal geeignete lokale Untersuchungsmethode zur Bestimmung von Kandidaten für quantenmechanische Spinflüssigkeiten eingesetzt wird.

In den 1950er Jahren postulierte Landau, dass Leitungselektronen in Festkörpern als Quasiteilchen mit Ladung e und Spin 1/2 beschrieben werden können, wobei alle Wechselwirkungen (Elektron-Elektron, Elektron-Gitter) in der renormalisierten Masse m* enthalten sind. Während bei gewöhnlichen Metallen wie Kupfer, Silber oder Gold die effektive Masse vergleichbar mit der ungestörten Elektronenmasse m_e ist, zeigen korrelierte Elektronensysteme typischerweise stark erhöhte Werte von bis zu m* ~ 1000 m_e in schweren Fermionensystemen.

Abgesehen von einer Massenrenormierung werden Abweichungen vom Quasiteilchenkonzept von Landau in Gleichstromwiderstandsmessungen in der Nähe elektronischer Instabilitäten beobachtet, beispielsweise beim Annähern an einen Mott-Isolator. In verschiedenen korrelierten Systemen wird ein merkwürdiger metallischer Zustand mit einem linear von T abhängigen Widerstand bis zu niedrigen Temperaturen gefunden, der scheinbar der von der Fermiflüssigkeitstheorie erwarteten T²-Abhängigkeit widerspricht. Darüber hinaus übersteigt bei schlechten Metallen der absolute Wert des Widerstands manchmal das Ioffe-Regel-Mott-Limit, das einer Streuung pro Gitterplatz als obere Grenze für kohärenten metallischen Transport entspricht.

Die wichtigste Frage, die sich stellt, ist, ob diese scheinbaren Abweichungen vom Quasiteilchenkonzept von Landau aus vollkommen anderen metallischen Zuständen resultieren oder ob die bestehende Theorie nur Erweiterungen erfordert. Die optische Spektroskopie übertrifft die Möglichkeiten des Gleichstromtransports, da sie die vollständige Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit misst und uns unschätzbare Einblicke in die Elektrodynamik des Ladungstransports liefert. Unsere neuesten Ergebnisse unterstützen das zweite Szenario und deuten darauf hin, dass metallischer Transport aus Landaus Quasiteilchen hervorgeht. Durch unsere laufenden Bemühungen, die sowohl optische als auch NMR-Experimente umfassen, möchten wir die Mechanismen aufdecken, die die Fermiflüssigkeit bei niedrigen Frequenzen und im Gleichstromwiderstand verbergen.