Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenanomalien: Das Universum in einem Kristall

21.07.2017

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder niemals aus dem Nichts entstehen, eine zentrale Rolle. Diese Messgrößen bestimmen, welche physikalischen Prozesse in unserem Universum möglich sind.


Claudia Felser, a materials scientist bringing materials to the universe

Sven Döring / MPI CPfS

In bestimmten Situationen jedoch, nämlich genau dann, wenn man von der klassischen Physik zu einer nicht-klassischen Betrachtung (Quantenmechanik) übergeht, sind diese Größen nicht mehr zwangsläufig erhalten. Man spricht dann von Quantenanomalien.

Eine dieser Quantenanomalien, die z.B. zur Beschreibung von Neutronensternen von theoretischen Physikern angedacht wurde, aber noch nie experimentell nachgewiesen werden konnte, ist die Schwerkraft-Quantenanomalie: der Zusammenbruch eigentlich stets erhaltener Messgrößen – in diesem Fall der Energie und des Impulses – in gleichzeitig angelegten und parallel verlaufenden Magnet- und Schwerefeldern.

Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese Quantenanomalie experimentell in Kristallen nachzuweisen. Dabei konnten sie eine große experimentelle Schwierigkeit umgehen: Ausreichend starke Schwerefelder zur Beobachtung der Schwerkraft-Quantenanomalie, und die damit einhergehende, von Einstein vorausgesagte Krümmung der Raumzeit, liegen zwar bei Neutronensternen oder in der Nähe Schwarzer Löchern vor, können aber nicht im Labor auf der Erde realisiert werden. Somit war die Messung der theoretisch vorausgesagten Schwerkraft-Quantenanomalie bisher unmöglich.

Wie das Forscherteam nun im Fachmagazin Nature berichtet, haben sie einen unerwarteten Ausweg aus diesem experimentellen Dilemma gefunden: In ihrem Experiment nutzten die Forscher erstmals die Erkenntnis, dass sich unter bestimmten Umständen in Kristallen ein Schwerefeld durch einen Temperaturunterschied nachahmen lässt. So können Messungen in Gravitationsfeldern nachgestellt werden, ohne dass dafür eine Krümmung der Raumzeit im Labor erzeugen werden müsste.

Neuartige Materialien – sogenannte Weyl-Halbmetalle - stellen für die Forscher eine ideale Messplattform dar. In diesen Materialien gibt es bestimmte Elektronen (Weyl-Fermionen), die aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften für das Forscherteam beim Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie von besonderem Interesse waren.

Diese Elektronen haben, wie alle Elektronen in Kristallen, zwei verschiedene Drehrichtungen – so gibt es sowohl links- wie auch rechtsdrehende Elektronen. Eine Besonderheit dieser Materialien besteht darin, dass die Energie und der Impuls der Elektronen eines Drehsinns jeweils eine stets erhaltene Messgröße darstellt. So kann weder im linksdrehenden noch im rechtsdrehenden Elektronenreservoir Energie oder Impuls verloren oder hinzugewonnen werden – es sei denn es liegt eine Quantenanomalie vor.

Ein solches, neuartiges Material setzten die Forscher im Experiment einem Temperaturunterschied aus, der in gewöhnlichen elektrischen Leitern einen Stromfluss verursacht. In dem untersuchten speziellen Halbmetall-Material darf nun allerdings gerade kein Stromfluss zustande kommen, da dies Ausdruck der stets erhaltenen Energie und des stets erhaltenen Impulses der beiden Elektronenreservoirs ist. Als die Forscher zusätzlich noch einen Temperaturunterschied über den Kristall erzeugten und in gleicher Richtung ein Magnetfeld anlegten, beobachten sie jedoch einen Stromfluss, der mit ansteigendem Magnetfeld weiter zunahm.

Dieser resultiert daraus, dass die eigentlich stets bewahrte Energie und der stets bewahrte Impuls der Elektronen eines Drehsinns nun nicht mehr erhalten ist und linksdrehende Elektronen beispielweise mehr Energie und einen größeren Impuls haben als rechtdrehende Elektronen. Dieses werten die Forscher als ersten experimentellen Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie.

Den Forschern ist es somit erstmals im Experiment gelungen, eine Quantenanomalie unter Beteiligung eines simulierten Schwerefeldes zu beobachten. „Rationales Design spielt in den Materialwissenschaften eine immer größere Rolle, topologische Materialien können nach klaren Kriterien ausgewählt und dann synthetisiert werden.

Neben dem fundamentalen Verständnis sind wir hier am Max-Planck-Institut in der glücklichen Lage nahezu alle Materialien als Einkristalle herstellen zu können – das ist weltweit einmalig“, kommentiert Claudia Felser, Direktorin am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe. So seien die Ergebnisse dieser Studie relevant für z.B. Astrophysiker, um Prozesse im frühen Universum aufzuklären bis hin zu Teilchenphysikern, um mögliche Teilchenzerfälle zu verifizieren.

Das Autorenteam besteht aus Dresdner Wissenschaftlern der Technischen Universität, des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe und des IFW Dresden sowie aus Partnern vom IBM-Research Zürich, des Weizmann Institute of Science in Israel, der Berkeley Universität in Kalifornien und den Universitäten in Madrid und Hamburg. Im Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe stehen die Arbeiten unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Felser, die seit 2011 Direktorin des Fachbereichs Festkörperchemie ist.

Originalveröffentlichung: J. Gooth, A. C. Niemann, T. Meng, A. G. Grushin, K. Landsteiner, B. Gotsmann, F. Menges, M. Schmidt, C. Shekhar, V. Süß, R. Hühne, B. Rellinghaus, C. Felser, B. Yan, K. Nielsch: “Experimental signatures of the mixed axial-gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP” DOI: 10.1038/nature23005

Das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden forscht mit dem Ziel, neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu entdecken und zu verstehen. Chemiker und Physiker, Synthetiker, Experimentatoren und Theoretiker untersuchen gemeinsam, wie sich die chemische Zusammensetzung, die Anordnung der Atome sowie äußere Kräfte auf die magnetischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen auswirken.

Dazu wenden sie die modernsten Instrumente und Methoden an. Neue Quantenmaterialien, -effekte und Materialien für Energieumwandlung sind das Ergebnis dieser interdisziplinären Zusammenarbeit.
Das MPI CPfS (www.cpfs.mpg.de) ist Teil der Max-Planck-Gesellschaft und wurde 1995 in Dresden gegründet. Es beschäftigt rund 280 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon etwa 180 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler inklusive 70 Promovierende.

Dipl.-Übers. Ingrid Rothe | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe
Weitere Informationen:
https://www.cpfs.mpg.de

Weitere Berichte zu: Elektronen Energie Magnetfeld Max-Planck-Institut Raumzeit Stromfluss

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Perowskit-Solarzellen: Es muss gar nicht perfekt sein
15.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Fraunhofer IMWS testet umweltfreundliche Mikroplastik-Alternativen in Kosmetikartikeln
11.01.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie