Ein international agierendes Forschungsteam hat einen bahnbrechenden Nachweis über Quantenwirbel in Materialien erbracht, die durch die Bewegung von Elektronen im Impulsraum beschrieben werden. Dabei handelt es sich um den ersten experimentellen Beleg für die Existenz von Quanten-Tornados, die durch orbitale Bahndrehimpulse der Elektronen geformt werden. Angeführt wird das Projekt von Dr. Maximilian Ünzelmann vom Exzellenzcluster ct.qmat, der die Universitäten Würzburg und Dresden vereint.
Dieser Nachweis, der als Meilenstein in der Erforschung von Quantenmaterialien gilt, könnte weitreichende Auswirkungen auf zukünftige Quantentechnologien haben. Die Idee ist, dass das wirbelartige Verhalten der Elektronen im Impulsraum als Grundlage für die Entwicklung neuer Konzepte in der Orbitronik genutzt werden könnte. Orbitronik zielt darauf ab, das orbitale Drehmoment der Elektronen zu nutzen, um Informationen effizienter zu übertragen und Energieverluste zu minimieren. Diese Erkenntnisse wurden in der Publikation „Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space“ in der Fachzeitschrift *Physical Review X* veröffentlicht tu-dresden.de berichtet, dass ….
Die Methodik des Nachweises
Um die Quanten-Tornados experimentell nachzuweisen, hat das Würzburger Forschungsteam ein erweitertes Verfahren der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) entwickelt. Mit diesem Verfahren können die Energie und der Austrittswinkel von Elektronen gemessen werden, um die elektronische Materialstruktur präzise im Impulsraum zu analysieren. Die Materialprobe Tantal-Arsenid, die in den USA gezüchtet und anschließend in Hamburg untersucht wurde, spielte eine entscheidende Rolle beim Nachweis der Quantenwirbel.
Der Begriff Impulsraum bezieht sich auf die Beschreibung der Bewegung von Elektronen anhand ihrer Energie und Bewegungsrichtung, im Gegensatz zum Ortsraum. Frühere Studien hatten Quantenwirbel in Materialien lediglich im Ortsraum nachgewiesen. Roderich Moessner sagte bereits vor acht Jahren voraus, dass Quanten-Tornados im Impulsraum existieren müssen. Dieser neue Forschungserfolg zeigt, dass sich diese theoretischen Vorhersagen in der Praxis bestätigen lassen.
Internationale Zusammenarbeit und zukünftige Perspektiven
Das Forschungsteam besteht nicht nur aus Wissenschaftlern der beiden Universitäten, sondern integriert auch Experten aus China und Norwegen, was die international koordinierte Anstrengung zur Erforschung von Quantenmaterialien verdeutlicht. Das ct.qmat-Team prüft nun die Eigenschaften des Tantal-Arsenids, um herauszufinden, ob dieses Material für die Gestaltung orbitronischer Quantenbauteile genutzt werden kann.
Zusätzlich zu diesen bahnbrechenden Entwicklungen untersucht das Institut für Materialien in der Quantenmechanik, wie etwa Quantenmagneten, unkonventionelle Supraleiter und stark korrelierte Elektronensysteme. Zu den jüngsten Arbeiten gehören Erkenntnisse über Supraleitung sowie verschiedene Ladungs-, Orbital- und Spinordnungen in Übergangsmetalloxiden helmholtz-berlin.de führt dazu aus, dass ….
Die Dynamik und das Potenzial von Quantenmaterialien bieten ein spannendes Forschungsfeld mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten. In einem weiteren Forschungsprojekt am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden die Auswirkungen von mechanischem Druck auf die Supraleitung von Strontiumruthanat untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass solcher Druck die Sprungtemperatur erhöhen kann, was bei der Optimierung von Materialien für spezifische physikalische Effekte wichtig sein könnte kit.edu schließt mit der Aussage, dass ….
Die vielversprechenden Ergebnisse dieser und ähnlicher Forschungsansätze könnten nicht nur unser Verständnis von Quantenphänomenen vertiefen, sondern auch die Grundlage für innovative Technologien in der Energieübertragung und Informationsverarbeitung legen.
