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In der Welt der Materialwissenschaft finden sich die wichtigsten Entdeckungen manchmal an unerwarteten Orten. Bei der Arbeit am spezifischen Widerstand einer Art von Delafossite – PdCoO2 – entdeckten Forschende des Labors für Quantenmaterialien der EPFL, dass sich die Elektronen in ihrer Probe nicht ganz wie erwartet verhielten. Wenn ein Magnetfeld angelegt wurde, behielten die Elektronen Signaturen ihrer wellenartigen Natur bei, die sogar unter relativ hohen Temperaturbedingungen beobachtet werden konnten und in relativ grossen Grössen auftraten. Diese überraschenden Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit mehreren Forschungseinrichtungen* erzielt wurden, könnten sich als nützlich erweisen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Quantum Computing. Die Forschungsergebnisse werden heute in der renommierten Zeitschrift Science veröffentlicht.
Um die Bedeutung dieser Entdeckung zu begreifen, müssen wir uns die winzige Skala der Atome vorstellen. Auf dieser Skala sehen wir, dass Metalle – auch wenn wir sie normalerweise für recht dicht halten – in Wirklichkeit aus sehr vielen leeren Räumen um die Atome herum bestehen. Wenn sich Elektronen in diesen Zwischenräumen bewegen, haben sie einen doppelten Charakter, da sie sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten. Normalerweise werden ihre Bewegungen in einem Metalldraht durch ihre partikelartigen Aspekte gut erfasst, da ihre wellenartige Natur viel zu schwach ist und durch verschiedene andere Wechselwirkungen maskiert wird. Nur unter hochspezifischen Laborbedingungen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, hatten Experimente von Richard Webb und Mitarbeitenden den Wellencharakter von Elektronen in Metallen bekannterweise aufgedeckt.
Bei der untersuchten Probe handelte es sich um PdCoO2, dessen elektronische Struktur nahezu zweidimensional und extrem rein ist und das in der Chemie als Katalysator verwendet wird. Die Forschenden waren überrascht, eine neue Art von Schwingungen zu beobachten, die signifikante Kohärenzlängen aufwiesen, wenn die Probe einem Magnetfeld ausgesetzt war. Diese Kohärenz ist wichtig, wenn man versucht, Quantenzustände zu erhalten, und die Bedingungen, unter denen sie auftraten, hätten nach den Grundprinzipien der Physik nicht möglich sein dürfen. In diesem Fall wurden sie bei Temperaturen von bis zu 60 Kelvin und auf Längenskalen von bis zu 12 Mikrometern festgestellt.
«Es ist gigantisch!»
«Das ist wirklich überraschend», sagt Philip Moll, Leiter des Labors für Quantenmaterialien an der EPFL. «Es ist das allererste Mal, dass dieser Quanteneffekt in einem so grossen Stück Metall beobachtet wurde. 12 Mikrometer mögen klein erscheinen, aber für die Dimensionen eines Atoms ist er gigantisch. Das ist die Längenskala des biologischen Lebens, wie z.B. Algen und Bakterien.»
Der nächste Schritt wird der Versuch sein, besser zu verstehen, wie dieses Phänomen in diesem Umfang möglich ist. Aber die Forschenden stellen sich bereits eine Fülle von Möglichkeiten vor, insbesondere im Bereich des Quantum Computings. Bleiben Sie dran!
*In Zusammenarbeit mit:
- Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Deutschland
- Fakultät für Physik und Astronomie, University of St. Andrews, Grossbritannien
- Max-Planck-Institut für die Physik komplexer Systeme, Deutschland
- Weizmann Institut für Wissenschaft, Abteilung für Physik der kondensierten Materie, Israel
- Laboratoire des Solides Irradiés, Institut Polytechnique de Paris, Frankreich