In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder niemals aus dem Nichts entstehen, eine zentrale Rolle. Diese Messgrößen bestimmen, welche physikalischen Prozesse in unserem Universum möglich sind.

In bestimmten Situationen jedoch, nämlich genau dann, wenn man von der klassischen Physik zu einer nicht-klassischen Betrachtung (Quantenmechanik) übergeht, sind diese Größen nicht mehr zwangsläufig erhalten. Man spricht dann von Quantenanomalien.

Eine dieser Quantenanomalien, die z.B. zur Beschreibung von Neutronensternen von theoretischen Physikern angedacht wurde, aber noch nie experimentell nachgewiesen werden konnte, ist 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.

Forschern ist es 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 zwar bei Neutronensternen oder in der Nähe Schwarzer Löchern vor, können aber nicht im Labor auf der Erde realisiert werden. Somit war die Messung der theoretisch vorausgesagten Schwerkraft-Quantenanomalie bisher unmöglich.

Wie das Forscherteam nun im Fachmagazin Nature berichtet, haben sie 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 – sogenannte Weyl-Halbmetalle – stellen für die Forscher eine ideale Messplattform dar. In diesen Materialien gibt es bestimmte Elektronen (Weyl-Fermionen), die aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften für das Forscherteam beim Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie von besonderem Interesse waren. Diese Elektronen haben zwei verschiedene Drehrichtungen (Chiralitäten) – so gibt es sowohl links- wie auch rechtsdrehende Elektronen.

Eine Besonderheit dieser Materialien besteht darin, dass die Energie und der Impuls der Elektronen eines Drehsinns jeweils eine stets erhaltene Messgröße darstellt. So kann weder im linksdrehenden noch im rechtsdrehenden Elektronenreservoir Energie oder Impuls verloren oder hinzugewonnen werden – es sei denn es liegt eine Quantenanomalie vor.

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 darf nun allerdings gerade kein Stromfluss zustande kommen, da dies Ausdruck der stets erhaltenen Energie und des stets erhaltenen Impulses der beiden Elektronenreservoirs ist.

Als die Forscher zusätzlich noch einen Temperaturunterschied über den Kristall erzeugten und in gleicher Richtung ein Magnetfeld anlegten, beobachten sie jedoch einen Stromfluss, der mit ansteigendem Magnetfeld weiter zunahm. Dieser resultiert daraus, dass die eigentlich stets bewahrte Energie und der stets bewahrte Impuls der Elektronen eines Drehsinn nun nicht mehr erhalten ist und linksdrehende Elektronen beispielweise mehr Energie und einen größeren Impuls haben als rechtdrehende Elektronen.

Dieses werten die Forscher als ersten experimentellen Nachweis der Schwerkraft-Quantenanomalie.

Den Forschern ist es somit erstmals im Experiment gelungen, eine Quantenanomalie unter Beteiligung eines simulierten Schwerefeldes zu beobachten.

„Extrem spannend ist, dass wir mit Hilfe dieses Experiments aus dem Bereich der Festkörperphysik eine physikalische Fragestellung beantworten konnten, die auch in vielen anderen Bereichen der Physik außerhalb der Materialforschung eine wichtige Rolle spielt.“ freut sich Anna Niemann, Doktorandin im Team von Professor Nielsch am IFW Dresden. So seien die Ergebnisse dieser Studie relevant für z.B. Astrophysiker um Prozesse im frühen Universum aufzuklären bis hin zu Teilchenphysiker um mögliche Teilchenzerfälle zu verifizieren.

Das Autorenteam besteht aus Dresdner Wissenschaftlern der Technischen Universität, des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe und des IFW Dresden sowie aus Partnern vom IBM-Research Zürich, des Weizmann Institute of Science in Israel, der Berkeley Universität in Kalifornien und den Universitäten in Madrid und Hamburg. Im IFW Dresden stehen die Arbeiten unter Leitung von Prof. Dr. Kornelius Nielsch, der seit 2015 Direktor des IFW-Instituts für Metallische Werkstoffe am IFW Dresden ist und das Gebiet der thermoelektrischen Materialien und Messmethoden, zu dem auch diese Arbeit zählt, am IFW Dresden wieder etabliert hat.

Originalveröffentlichung: J. Gooth, A. C. Niemann, T. Meng, A. G. Grushin, K. Landsteiner, B. Gotsmann, F. Menges, M. Schmidt, C. Shekhar, V. Süß, R. Hühne, B. Rellinghaus, C. Felser, B. Yan, K. Nielsch: “Experimental signatures of the mixed axial-gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP” DOI: 10.1038/nature23005

Hintergrundinformationen

Thermoelektrik: Das Feld der Thermoelektrik wurde 1821 von T. J. Seebeck begründet, der erkannte, dass ein Temperaturunterschied entlang eines elektrischen Leiters einen Stromfluss verursacht. Am IFW Dresden werden im Fachgebiet der Thermoelektrik sowohl neue Materialien und Bauelemente zur effizienteren Anwendung dieser umweltfreundlichen und „grünen“ Art der Energiegewinnung untersucht als auch physikalische Grundlagenforschung im Bereich der Thermoelektrik betrieben. Die Spanne der untersuchten Materialien reicht dabei von cm-großen Multikristallen bis zu sehr kleinen Nanokristallen, die einen sehr hohen Anteil an Oberflächenatomen besitzen. Sogenannte thermoelektrische Materialien, die eine besonders effiziente Stromerzeugung durch einen Temperaturunterschied versprechen, werden von den Forschern hierbei vor allem für die Ausnutzung von industrieller Abwärme zur Stromerzeugung optimiert. Auch die neuartigen Materialsysteme (z.B. Topologische Isolatoren, Dirac- und Weyl-Metalle) sind nicht nur aufgrund der fundamentalen Eigenschaften bei der Ladungs- und Wärmeleitung für viele grundlegende Experimente am IFW von großem aktuellem Interesse und tragen hierbei zum tieferen, naturwissenschaftlichen Verständnis dieser Materialen bei, sondern können sehr wahrscheinlich zur Entwicklung von nanokristallinen Funktionswerkstoffen und zum Einsatz in thermoelektrischen Modulen und Systemen verwendet werden.

Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden:

Das IFW Dresden betreibt Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Festkörper- und Werkstoffwissenschaften. Im Mittelpunkt des Forschungsprogramms stehen physikalische und chemische Eigenschaften von Festkörpern, die für neue Funktionswerkstoffe interessant und nutzbar sind. Das Institut bedient sich dabei eines breiten Spektrums theoretischer und experimenteller Ansätze zum Verständnis der elektronischen Struktur von Quanten- und nanoskaligen Materialien. Ziel ist es u. a. neue Anwendungen hervorzubringen, die auf diesen funktionalen Materialien, erforschten physikalischen Effekten und neuentwickelten Bauelementen beruhen.

Daneben gehört es zu den Aufgaben des Instituts, die Fortbildung des wissenschaftlichen und technischen Nachwuchses zu fördern und die gewonnenen Erkenntnisse für die Wirtschaft nutzbar zu machen.

Das IFW Dresden ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Es hat ca. 500 Mitarbeiter und wird von Bund und Ländern jeweils zur Hälfte gefördert.

Kontakt für weitere Informationen:

Prof. Dr. Kornelius Nielsch

Tel. 0351 4659-104

k.nielsch@ifw-dresden.de

Anna Niemann

Tel. 0351 4659-798

a.niemann@ifw-dresden.de

http://www.ifw-dresden.de

http://www.nature.com/nature/journal/v547/n7663/index.html