Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neues, simulierbares Modell für exotische Quantenphänomene

28.11.2013
Wissenschaftler am MPQ entwickeln ein neues Modell für das Auftreten des Fraktionellen Quanten-Hall-Effekts in Gittersystemen.

Es ist faszinierend, wie das quantenmechanische Verhalten von Teilchen im Mikrokosmos zu seltsamen Eigenschaften führen kann, die sich sogar in der klassischen Welt bemerkbar machen.


Abbildung 1

Ein Beispiel dafür ist der Fraktionelle Quanten-Hall-Effekt (FQH), der vor rund 30 Jahren an Halbleiter-Bauelementen entdeckt wurde. Er zählt zu den faszinierendsten Phänomenen in der Festkörperphysik und ist hier bereits eingehend untersucht worden. Heutzutage sind Experimentalphysiker in der Lage, Effekte, die in der Festkörperphysik auftreten, mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern zu modellieren.

Diese Möglichkeiten wecken das Interesse an der Frage, unter welchen Bedingungen der FQH in diesen Systemen beobachtet werden könnte. Die theoretische Physikerin Dr. Anne Nielsen hat jetzt zusammen mit anderen Wissenschaftlern aus der Abteilung Theorie von Prof. Ignacio Cirac am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Universidad Autónoma de Madrid ein neues Gittermodell entwickelt, das ein FQH-ähnliches Verhalten zeigen würde (Nature Communications, 28. November 2013).

Der klassische Hall-Effekt beschreibt das Verhalten von Elektronen, allgemeiner gesagt von Ladungsträgern, in einem elektrischen Leiter unter dem Einfluss eines Magnetfeldes, das senkrecht zum elektrischen Strom gerichtet ist. Aufgrund der Lorentz-Kraft baut sich eine sogenannte Hall-Spannung auf, die linear mit der Stärke des Magnetfeldes steigt.

1980 untersuchte der deutsche Physiker Klaus von Klitzing die elektronische Struktur von flachen Halbleiter-Transistoren (auch als MOSFETs bezeichnet) bei extrem tiefen Temperaturen und extrem hohen Magnetfeldern. Dabei machte er die verblüffende Beobachtung, dass der Hall-Widerstand mit steigendem Magnetfeld nicht linear, sondern stufenweise anstieg, wobei der Wert jeder Stufe umgekehrt proportional zum Vielfachen einer Kombination aus bestimmten Naturkonstanten war.

Einige Jahre später deckten Messungen an Bauteilen aus Galliumarsenid unter ähnlichen Bedingungen zusätzliche Plateaus auf, die Bruchteilen dieses Vielfachen entsprachen. Beide Phänomene sind von fundamentaler Bedeutung, geben sie doch völlig neue Einblicke in die quantenmechanischen Prozesse, die in flachen Halbleiterstrukturen ablaufen, und sie brachten ihren Entdeckern den Nobelpreis: 1985 wurde Klaus von Klitzing mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, 1998 erhielten die Physiker Robert Laughlin, Horst Störner and Daniel Tsui diese höchste Auszeichnung in der Wissenschaft.

Der FQH ist ein äußerst spannendes Phänomen. Er wird von Theoretikern damit erklärt, dass einzelne oder mehrere Elektronen mit den magnetischen Flussquanten des Feldes zusammengesetzte Zustände bilden. Genauere experimentelle Untersuchungen dieses Zustandes gestalten sich jedoch schwierig, zumal er sehr empfindlich auf Störungen reagiert.

Mit optischen Gittern, in denen Atome die Rolle von Elektronen spielen, ließe sich das Phänomen sehr viel sauberer darstellen. Dies, und die Hoffnung auf einfachere und robustere FQH-Systeme ist der Grund dafür, dass Theoretiker weltweit zu verstehen versuchen, welche Mechanismen zu der Entstehung des FQH in Gittersystemen führen.

Das MPQ-Team konzentriert sich dabei auf die toplogischen Eigenschaften der FQH-Zustände. Die Topologie eines Objektes repräsentiert bestimmte geometrische Eigenschaften. So sind z.B. eine Teetasse mit einem geschlossenen Henkel und ein Bagel toplogisch äquivalent, da sie ineinander überführt werden können ohne Einschnitte oder das Stanzen von Löchern. Ein Fußball und ein Bagel sind dagegen nicht toplogisch äquivalent.

In ausgedehnten Festkörpersystemen spüren die Elektronen die elektrischen Kräfte vieler periodisch angeordneter Ionen. Gewöhnlich bilden ihre erlaubten Energiezustände gerade und kontinuierliche „Bänder“, deren Topologie trivial ist. In Systemen jedoch, die den FQH aufweisen, verleiht die Topologie dem Material exotische Eigenschaften, z.B. dass der elektrische Strom nur an den Kanten durchgelassen wird und sehr widerstandsfähig gegenüber Störungen ist.

„Wir haben eine neues Gittermodell entwickelt, an dem der FQH-Zustand beobachtet werden sollte“, sagt Anne Nielsen, die Erstautorin der Veröffentlichung. „Dabei gehen wir von einem zweidimensionalen Gitter aus, an dem jeder Platz mit einem Teilchen besetzt ist. Jedes Teilchen ist durch seinen sogenannten Spin charakterisiert, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. Außerdem besteht zwischen den Teilchen eine lokale Wechselwirkung mit kurzer Reichweite.“ (Siehe Abbildung 1.)

Numerische Untersuchungen ergaben, dass die Eigenschaften und die Topologie des Systems dem Verhalten entsprechen, das man für einen FQH-Zustand erwartet. So bilden sich Korrelationen über große Entfernungen aus, die zu der Entstehung von zwei verschiedenen Grundzuständen des Systems führen, wenn man periodische Randbedingungen berücksichtigt.

Die hier verwendeten mathematischen Werkzeuge haben ein breites Anwendungsgebiet und öffnen damit die Perspektive für die Entwicklung weiterer interessanter Modelle. „Der Mechanismus, der hier zur Ausbildung des FQH führt, unterscheidet sich offenbar von den Mechanismen früherer Modelle“, erklärt Anne Nielsen. „Außerdem haben wir gezeigt, wie sich das Modell mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern im Experiment realisieren ließe. Dadurch ergäben sich einzigartige Möglichkeiten, diese fragilen Zustände unter kontrollierten Bedingungen experimentell zu untersuchen, was einen Meilenstein für Quantensimulationen bedeuten würde.“ Olivia Meyer-Streng

Abbildung 1: Illustration des Gittermodells, in dem sich jedes Teilchen entweder in dem Zustand “Spin aufwärts” oder “Spin abwärts” befindet. (Grafik: Anne Nielsen, MPQ)

Originalveröffentlichung:

Anne E. B. Nielsen, Germán Sierra, and J. Ignacio Cirac
Local models of fractional quantum Hall states in lattices and physical implementation

Nature Communications 10.1038/ncomms3864, 28 November 2013

Kontakt:

Prof. Dr. J. Ignacio Cirac
Honorarprofessor, TU München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -705/736
Telefax: +49 (0)89 / 32 905 -336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de
Dr. Anne Nielsen
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: + 49 (0)89 / 32 905 -130
Telefax: + 49 (0)89 / 32 905 -336
E-Mail: anne.nielsen@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau