Physikerinnen und Physiker unter der Leitung von Tigran Sedrakyan von der University of Massachusetts haben die bahnbrechende Entdeckung eines neuen Aggregatzustands bekannt gegeben. Diese Phase der Materie wird in der Quantenphysik auch als „chiraler Bose-Flüssigkeitszustand“ bezeichnet.
Quantenphysik: Chiraler Bose-Flüssigkeitszustand entdeckt
Diese revolutionäre Entdeckung, die im Rahmen einer Studie in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, eröffnet neue Wege auf der Suche nach dem Verständnis der grundlegenden Eigenschaften des physikalischen Universums. Die Zustände der Materie, mit denen wir normalerweise interagieren, wie fest, flüssig oder gasförmig, weichen unter extremen Bedingungen wie sehr niedrigen Temperaturen oder winzigen Skalen einem ganz anderen und eigentümlichen Spektrum von Quantenzuständen.
Dr. Sedrakyans Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung der rätselhaften Quantenzustände, die durch Phänomene wie „Bandentartung“, „Grabenbänder“ und „kinetische Frustration“ in stark wechselwirkender Quantenmaterie entstehen. Ein typisches Teilchensystem verhält sich vorhersehbar, ähnlich wie Billardkugeln, wobei jede Wechselwirkung zu einem bestimmten Reaktionsmuster führt. In frustrierten Systemen der Quantenphysik gibt es jedoch nahezu unendlich viele Wechselwirkungsmöglichkeiten, die zu einzigartigen Quantenzuständen führen, in denen sich Teilchen auf unvorhersehbare Weise verhalten können.
Um dies weiter zu untersuchen, hat Sedrakyans Team ein zweischichtiges halbleitendes Gerät entwickelt, das als Frustrationsmaschine fungiert. Diese Vorrichtung hat eine obere Schicht mit vielen Elektronen, die sich frei bewegen können, und eine untere Schicht mit „Löchern“, die diese Elektronen füllen können. Indem sie ein Ungleichgewicht in der Anzahl der Elektronen und Löcher herstellten, erzeugten sie einen Zustand der Quantenfrustration im System. Wie Sedrakyan erklärt, ist es wie eine chaotische Reise nach Jerusalem, bei der sich die Elektronen um viele mögliche „Plätze“ streiten, anstatt einen einzigen, festen Platz zu haben.
Frustration dient neuem Fund
Diese Quantenfrustration führt zu einem ausgeprägten chiralen Randzustand. Wenn sie auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, bilden die Elektronen in diesem Zustand ein vorhersehbares Spinmuster, entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Überraschenderweise ist dieser Spin stabil und unbeeinflusst von Kollisionen oder Magnetfeldern und kann für eine zuverlässige digitale Datencodierung genutzt werden. Wenn ein äußeres Teilchen mit einem dieser Elektronen zusammenstößt, reagieren alle Elektronen aufgrund der weitreichenden Verschränkung in diesem Quantensystem ähnlich.
Die Beobachtung des chiralen Bose-Flüssigkeitszustands war aufgrund seiner schwer fassbaren Natur eine große Herausforderung, weshalb er der Quantenphysik lange Zeit verborgen blieb. Sedrakyan und sein Team, bestehend aus theoretischen und experimentellen Physiker*innen der Nanjing University und der Peking University, entwickelten jedoch eine einzigartige Theorie und ein Experiment.
Exzitonische topologische Ordnung
„Am Rand der Halbleiter-Doppelschicht bewegen sich Elektronen und Löcher mit den gleichen Geschwindigkeiten“, so der Experimentalphysiker Lingjie Du. „Dies führt zu einem spiralförmigen Transport, der durch externe Magnetfelder weiter moduliert werden kann, da die Elektronen- und Lochkanäle unter höheren Feldern allmählich getrennt werden.“ Die Magneto-Transportexperimente enthüllen somit erfolgreich den ersten Beweis für die chirale Bose-Flüssigkeit, die die Autor*innen in der veröffentlichten Arbeit auch als ‚exzitonische topologische Ordnung‘ bezeichnen.
Sie nutzten ein starkes Magnetfeld, um die Bewegungen der Elektronen zu verfolgen und konnten so die Existenz des chiralen Bose-Flüssigkeits-Zustands nachweisen. Diese bahnbrechende Entdeckung, die von zahlreichen Institutionen unterstützt wird, hat das Potenzial, unser Verständnis der Quantenphysik und des Universums zu erweitern.
Quellen: „Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers“ (Nature, 2023); University of Massachusetts
Seit dem 24. Februar 2022 herrscht Krieg in der Ukraine. Hier kannst du den Betroffenen helfen.