Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Universum in einem Kristall

20.07.2017

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie 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.


Forschern ist es gelungen, ein ausreichend starkes Schwerefeld, welches eigentlich nur weit draußen im Universum existiert, in einem Kristall nachzuempfinden

Bildrechte: Robert Strasser, Kees Scherer; Komposition: Michael Büker, Lizenz: gemeinfrei

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 zwei verschiedene Drehrichtungen (Chiralitäten) – 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 Drehsinn 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.

„Extrem spannend ist, dass wir mit Hilfe dieses Experiments aus dem Bereich der Festkörperphysik eine physikalische Fragestellung beantworten konnten, die auch in vielen anderen Bereichen der Physik außerhalb der Materialforschung eine wichtige Rolle spielt.“ freut sich Anna Niemann, Doktorandin im Team von Professor Nielsch am IFW Dresden. So seien die Ergebnisse dieser Studie relevant für z.B. Astrophysiker um Prozesse im frühen Universum aufzuklären bis hin zu Teilchenphysiker 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 IFW Dresden stehen die Arbeiten unter Leitung von Prof. Dr. Kornelius Nielsch, der seit 2015 Direktor des IFW-Instituts für Metallische Werkstoffe am IFW Dresden ist und das Gebiet der thermoelektrischen Materialien und Messmethoden, zu dem auch diese Arbeit zählt, am IFW Dresden wieder etabliert hat.

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

Hintergrundinformationen

Thermoelektrik: Das Feld der Thermoelektrik wurde 1821 von T. J. Seebeck begründet, der erkannte, dass ein Temperaturunterschied entlang eines elektrischen Leiters einen Stromfluss verursacht. Am IFW Dresden werden im Fachgebiet der Thermoelektrik sowohl neue Materialien und Bauelemente zur effizienteren Anwendung dieser umweltfreundlichen und „grünen“ Art der Energiegewinnung untersucht als auch physikalische Grundlagenforschung im Bereich der Thermoelektrik betrieben. Die Spanne der untersuchten Materialien reicht dabei von cm-großen Multikristallen bis zu sehr kleinen Nanokristallen, die einen sehr hohen Anteil an Oberflächenatomen besitzen. Sogenannte thermoelektrische Materialien, die eine besonders effiziente Stromerzeugung durch einen Temperaturunterschied versprechen, werden von den Forschern hierbei vor allem für die Ausnutzung von industrieller Abwärme zur Stromerzeugung optimiert. Auch die neuartigen Materialsysteme (z.B. Topologische Isolatoren, Dirac- und Weyl-Metalle) sind nicht nur aufgrund der fundamentalen Eigenschaften bei der Ladungs- und Wärmeleitung für viele grundlegende Experimente am IFW von großem aktuellem Interesse und tragen hierbei zum tieferen, naturwissenschaftlichen Verständnis dieser Materialen bei, sondern können sehr wahrscheinlich zur Entwicklung von nanokristallinen Funktionswerkstoffen und zum Einsatz in thermoelektrischen Modulen und Systemen verwendet werden.

Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden:
Das IFW Dresden betreibt Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Festkörper- und Werkstoffwissenschaften. Im Mittelpunkt des Forschungsprogramms stehen physikalische und chemische Eigenschaften von Festkörpern, die für neue Funktionswerkstoffe interessant und nutzbar sind. Das Institut bedient sich dabei eines breiten Spektrums theoretischer und experimenteller Ansätze zum Verständnis der elektronischen Struktur von Quanten- und nanoskaligen Materialien. Ziel ist es u. a. neue Anwendungen hervorzubringen, die auf diesen funktionalen Materialien, erforschten physikalischen Effekten und neuentwickelten Bauelementen beruhen.
Daneben gehört es zu den Aufgaben des Instituts, die Fortbildung des wissenschaftlichen und technischen Nachwuchses zu fördern und die gewonnenen Erkenntnisse für die Wirtschaft nutzbar zu machen.
Das IFW Dresden ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Es hat ca. 500 Mitarbeiter und wird von Bund und Ländern jeweils zur Hälfte gefördert.

Kontakt für weitere Informationen:
Prof. Dr. Kornelius Nielsch
Tel. 0351 4659-104
k.nielsch@ifw-dresden.de

Anna Niemann
Tel. 0351 4659-798
a.niemann@ifw-dresden.de

Weitere Informationen:

http://www.ifw-dresden.de
http://www.nature.com/nature/journal/v547/n7663/index.html

Dr. Carola Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

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: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics