Genf – Ein internationales Forscherteam hat eine quantenphysikalische Theorie über topologische Phasenübergänge experimentell bestätigt. Zudem entdeckten die Wissenschafter einen neuartigen Phasenübergang, wie sie im Fachblatt "Nature Physics" berichten.
Phasenübergänge sind Teil des täglichen Lebens: Wenn etwa Wasser zu Eis gefriert, verändert es seinen Aggregatzustand von flüssig in fest. Es gibt aber auch andersartige Phasenübergänge, die von sogenannten topologischen Anregungen in Gang gesetzt werden. Diese bringen die Partikel dazu, sich im Einklang zu bewegen.
Die Physik-Nobelpreisträger von 2016, David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz, hatten bereits gezeigt, dass eine Reihe von topologischen Anregungen einen Phasenübergang auslösen kann. Viele Theorien haben sich seither damit auseinandergesetzt, ob zwei verschiedene Sets topologischer Anregungen auch gleichzeitig in einem Material wirksam sein können.
Bacovo im Blick
Wissenschaftern der Universitäten Genf und Grenoble, des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen ist nun genau dieser Nachweis gelungen. Dies sei eine "kleine Revolution" auf dem Gebiet der Quanteneigenschaften, hieß es in einer Mitteilung der Uni Genf.
Die französischen Wissenschafter studierten das eindimensionale, antiferromagnetische Quantenmaterial Bacovo (BaCo2V2O8), das eine spiralförmige Struktur hat. Dabei fiel ihnen ein unerklärlicher Phasenübergang auf. Mit diesem Problem wandten sie sich an Thierry Giamarchi und Kollegen von der Uni Genf.
Aufgrund des Resultats stellten die Genfer Physiker theoretische Modelle zu dessen Interpretation auf und überprüften sie mit Experimenten. Das Ziel war es zu verstehen, wie die Quanteneigenschaften und insbesondere die topologischen Anregungen von Bacovo funktionieren.
Theorien bestätigt
Die Forscher nutzten die Technik der Neutronen-Streuung am PSI, um einen Neutronen-Strahl auf das Material zu schießen. Die Neutronen verhalten sich wie kleine Magnete, die mit den Neutronen des Materials interagieren. Das in Genf von Shintaro Takayoshi aufgestellte Modell sagte genau das Resultat des Experiments hervor.
Der Versuch brachte den Wissenschaftern eine weitere, unerwartete Erkenntnis: Wenn Bacovo einem Magnetfeld ausgesetzt wird, entwickelt das Material ein zweites Set an topologischen Anregungen, das mit dem ersten in Wettstreit tritt. Damit wurden die Theorien aus den 1970er- und 1980er-Jahren bestätigt.
Zudem konnten die Forscher kontrollieren, welches Set an topologischen Anregungen dominiert. Damit konnten sie Bacovos Zustand beliebig steuern. Nach Aussagen der Forscher gelang dies zum ersten Mal. "Diese Befunde eröffnen ganz neue Möglichkeiten in der Quantenphysik-Forschung", so Giamarchi. Man befinde sich noch auf einem grundlegenden Niveau, aber diese Entdeckungen würden den Weg zu neuen Anwendungen für Quanteneigenschaften von Materialien ebnen, vielleicht auch zum Quantencomputer. (APA, 8.5.2018)