Unerwartete Quantenphase stellt bestehende Theorien infrage und eröffnet neue Perspektiven für Quantentechnologien
Internationale Physiker haben ein neues quantummechanisches Materiezustand entdeckt, der nach bisherigen Lehrbüchern eigentlich nicht existieren dürfte. Die Entdeckung zwingt die Wissenschaft dazu, zentrale Annahmen über das Verhalten von Elektronen unter extremen Bedingungen zu überdenken und könnte langfristig erhebliche Auswirkungen auf Quantencomputer, moderne Elektronik und hochempfindliche Sensorsysteme haben.
Wie das Wissenschaftsportal ScienceAlert berichtet, handelt es sich um eine bislang als unmöglich geltende topologische Phase eines Halbleiters. Theoretisch wurde dieser Zustand für die Verbindung CeRu₄Sn₆ (Cer, Ruthenium und Zinn) vorhergesagt. Nun konnten Experimente erstmals bestätigen, dass das Material bei extrem niedrigen Temperaturen tatsächlich in diesen neuartigen Quantenzustand übergeht, sobald es einen Punkt der sogenannten quantumkritischen Grenze erreicht.
An dieser Grenze befindet sich die Materie im Übergang zwischen zwei Phasen. Klassische physikalische Effekte verlieren ihre Bedeutung, während Quantenfluktuationen dominieren. Bislang ging man davon aus, dass unter solchen Bedingungen die notwendige elektronische Ordnung für topologische Zustände zusammenbricht. Die neuen Messungen zeigen jedoch das Gegenteil.
Ein entscheidender Beweis war das Auftreten eines anomalen Hall-Effekts. Dabei wichen Elektronen im Material seitlich von ihrer Bahn ab, obwohl kein äußeres Magnetfeld angelegt war. Dieses Verhalten deutet darauf hin, dass die Bewegung der Elektronen durch die innere Topologie des Materials bestimmt wird.
„Gerade diese Beobachtung zeigt eindeutig, dass wir unsere bisherigen theoretischen Modelle neu bewerten müssen“, erklärte die Physikerin Silke Bühler-Paschen von der Technische Universität Wien.
Besonders überraschend war, dass der topologische Effekt dort am stärksten ausgeprägt war, wo die elektronische Struktur am instabilsten erschien. Die Quantenfluktuationen wirkten also nicht zerstörend, sondern stabilisierend auf den neuen Materiezustand.
Die Forscher betonen, dass diese Entdeckung erst den Anfang markiert. Künftige Arbeiten sollen klären, ob ähnliche Zustände auch in anderen Materialien auftreten können und welche Bedingungen ihre Entstehung begünstigen. Langfristig könnte dies zur Entwicklung einer völlig neuen Klasse von Materialien führen, die hohe Stabilität mit extrem empfindlichen quantenphysikalischen Eigenschaften verbinden.