Quantenanomalie im Kristall

Forscher haben einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden. Den Wissenschaftler ist es mit neuartigen Materialien und thermoelektrischen Messungen gelungen, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung können ihre Erscheinungsform zwar ändern, aber niemals verloren gehen und niemals aus dem Nichts entstehen. Sie spielen in der Physik eine zentrale Rolle, denn sie bestimmen die physikalischen Prozesse im Universum. Geht man jedoch von der klassischen Physik zu einer nicht-klassischen Betrachtung (Quantenmechanik) über, sind diese Größen nicht mehr zwangsläufig erhalten. Forscher sprechen von Quantenanomalien.

Quantenanomalie erstmals experimentell nachgewiesen

Eine dieser Quantenanomalien ist noch nie experimentell nachgewiesen worden, die Schwerkraft-Quantenanomalie: der Zusammenbruch eigentlich stets erhaltener Messgrößen – in diesem Fall der Energie und des Impulses – in gleichzeitig angelegten und parallel verlaufenden Magnet- und Schwerefeldern.

Dresdner Forschern (u. a. der TU Dresden) ist es gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam nun erstmals gelungen, diese Quantenanomalie experimentell in Kristallen nachzuweisen. Dabei konnten sie eine große experimentelle Schwierigkeit umgehen: Ausreichend starke Schwerefelder zur Beobachtung der Schwerkraft-Quantenanomalie – und die damit einhergehende, von Einstein vorausgesagte Krümmung der Raumzeit – liegen bei Neutronensternen oder in der Nähe Schwarzer Löcher vor. Sie können aber nicht im Labor auf der Erde realisiert werden. Daher konnten Wissenschaftler die theoretisch vorausgesagte Schwerkraft-Quantenanomalie bisher nicht messen.

Wie das Forscherteam berichtet, hat es einen unerwarteten Ausweg aus diesem experimentellen Dilemma gefunden. In ihrem Experiment nutzten die Forscher erstmals die Erkenntnis, dass sich unter bestimmten Umständen in Kristallen ein Schwerefeld durch einen Temperaturunterschied nachahmen lässt. So können Messungen in Gravitationsfeldern nachgestellt werden, ohne dass dafür eine Krümmung der Raumzeit im Labor erzeugen werden müsste.

Neuartige Materialien: Weyl-Halbmetalle

Neuartige Materialien – sogenannte Weyl-Halbmetalle – waren für die Forscher eine ideale Messplattform. In diesen Materialien existieren Elektronen (Weyl-Fermionen), die aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften beim Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie besonders interessant waren. Diese Elektronen haben, wie alle Elektronen in Kristallen, zwei verschiedene Drehrichtungen: links- und rechtsdrehend. Eine Besonderheit dieser Materialien ist es, dass die Energie und der Impuls der Elektronen eines Drehsinns jeweils eine stets erhaltene Messgröße darstellen. So kann weder im linksdrehenden noch im rechtsdrehenden Elektronenreservoir Energie oder Impuls verloren oder hinzugewonnen werden – es sei denn, es liegt eine Quantenanomalie vor.

Energie der nach dem Physiker Hermann Weyl benannten Weyl-Teilchen folgt nicht den gleichen Gesetzen wie bei normalen Teilchen. Der Nachweis des Effekts schließt eine Lücke zwischen dem theoretischen Bild, das die Physiker von Weyl-Teilchen haben, und den bisherigen experimentellen Ergebnissen. Die Beobachtung ist nicht nur grundlagenwissenschaftlich interessant: Weyl-Teilchen leiten zum Beispiel Strom besonders gut und könnten daher die Computer der Zukunft schneller machen.

Ein solches neuartiges Material setzten die Forscher im Experiment einem Temperaturunterschied aus, der in gewöhnlichen elektrischen Leitern einen Stromfluss verursacht. In dem untersuchten speziellen Halbmetall-Material durfte allerdings gerade kein Stromfluss zustande kommen. Denn dies ist Ausdruck der stets erhaltenen Energie und des stets erhaltenen Impulses der beiden Elektronenreservoirs.

Als die Forscher einen weiteren Temperaturunterschied über dem Kristall erzeugten und in gleicher Richtung ein Magnetfeld anlegten, beobachten sie jedoch einen Stromfluss, der mit ansteigendem Magnetfeld weiter zunahm. Dessen Ursache: die eigentlich stets bewahrte Energie und der stets bewahrte Impuls der Elektronen eines Drehsinns war nun nicht mehr erhalten. Die Beobachtung werten die Forscher als experimentellen Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie. Den Wissenschaftlern war es somit erstmals im Experiment gelungen, eine Quantenanomalie unter Beteiligung eines simulierten Schwerefeldes zu beobachten.