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 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik