Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Maximilian Ünzelmann vom Exzellenzcluster ct.qmat hat einen bedeutenden Durchbruch in der Quantenmaterialforschung erzielt. Diese Teamarbeit hat den Nachweis erbracht, dass Elektronen in Quantenmaterialien Wirbel, auch bekannt als Quanten-Tornados, im Impulsraum bilden können. Diese Entdeckung stellt einen Meilenstein dar, der nicht nur die Wissenschaftsgemeinde begeistert, sondern auch weitreichende Implikationen für künftige Quantentechnologien hat.
Der Impulsraum, das Konzept, das die Bewegung von Elektronen auf Basis ihrer Energie und Bewegungsrichtung beschreibt, bietet neue Perspektiven für die Analyse von Quantenphänomenen. Das bisherige Wissen über Quantenwirbel beschränkte sich hauptsächlich auf den Ortsraum. Roderich Moessner prognostizierte bereits vor acht Jahren die Möglichkeit von Quanten-Tornados im Impulsraum, die nun experimentell bestätigt werden konnten.
Innovative Technologien und zukünftige Anwendungen
Eines der Potenziale, die aus dieser Entdeckung resultieren, ist die Entwicklung von Orbitronik-Technologien. Diese Technologien nutzen das orbitale Drehmoment der Elektronen zur Informationsübertragung, was Energieverluste bei der Datenübertragung erheblich reduzieren könnte. Diese Fortschritte könnten die Grundlage für neuartige Quantenbauteile schaffen, die auf dem Prinzip der Orbitronik basieren.
Das Würzburger Forschungsteam hat ein erweitertes Verfahren, die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES), entwickelt, um diesen Nachweis zu erbringen. ARPES misst die Energie und den Austrittswinkel von Elektronen, was es ermöglicht, die elektronische Materialstruktur im Impulsraum zu analysieren. Die Materialprobe Tantal-Arsenid, die in den USA gezüchtet und in Hamburg untersucht wurde, war entscheidend für die Forschung.
Die internationale Zusammenarbeit um das ct.qmat-Team umfasst auch Wissenschaftler aus China und Norwegen. Diese globalen Partnerschaften sind essenziell für die mögliche Nutzung des neu entdeckten Phänomens in zukünftigen Bauteilen der Orbitronik.
Forschung zu Quantenmaterialien
Zusätzlich zur Arbeit am ct.qmat trägt das Helmholtz-Zentrum Berlin dazu bei, Materialien zu untersuchen, deren Eigenschaften stark von der Quantenmechanik beeinflusst werden. Der Fokus liegt hierbei auf Quantenmagneten, unkonventionellen Supraleitern und stark korrelierten Elektronensystemen. Jüngste Forschungsarbeiten bieten interessante Einblicke in Bereiche wie Supraleitung und exotische Quantenzustände. Solche Studien sind für das Verständnis und die Entwicklung neuer Materialzustände von zentraler Bedeutung.
Darüber hinaus umfassen die Forschungen auch die Untersuchung von Quantenfluktuationen, die möglicherweise neue Materiezustände wie Quanten-Spin-Flüssigkeiten hervorbringen könnten. Mit Hilfe neuester Techniken in der Pulversynthese und Kristallzüchtung werden Materialproben charakterisiert, um makroskopische Eigenschaften und magnetische Strukturen zu bestimmen.
In einem verwandten Forschungsbereich haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) die Auswirkungen von mechanischem Druck auf die Supraleitung von Strontiumruthanat untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass mechanischer Druck die Sprungtemperatur erhöht und die Verformung des Materials erleichtert. Diese quantenmechanischen Anregungen könnten zu einem besseren Verständnis und zur Optimierung von Materialien für spezifische physikalische Effekte führen.
Die Entdeckungen und die internationale Zusammenarbeit in der Quantenmaterialforschung eröffnen somit viele neue Möglichkeiten und Perspektiven für zukünftige Technologien. Die aktuelle Publikation von T. Figgemeier, M. Ünzelmann und anderen in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ markiert einen weiteren Schritt in dieser aufregenden wissenschaftlichen Richtung.
