Erstmals Elektronenspin gemessen

Einem internationalen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, den Elektronenspin in Materie – also die Krümmung des Raums, in dem Elektronen leben und bewegen – in „Kagome-Materialien“, einer neuen Klasse von Quantenmaterialien, zu messen.

Die erzielten Ergebnisse – veröffentlicht in Naturphysik– könnte die Art und Weise, wie Quantenmaterialien in Zukunft untersucht werden, revolutionieren und die Tür für neue Entwicklungen in der Quantentechnologie öffnen, mit möglichen Anwendungen in einer Vielzahl von Technologiebereichen, von erneuerbaren Energien bis zur Biomedizin, von der Elektronik bis zu Quantencomputern.

Der Erfolg gelang einer internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, an der sich Domenico Di Sante, Professor am Fachbereich Physik und Astronomie „Augusto Righi“, für die Universität Bologna im Rahmen seines Marie-Curie-BITMAP-Forschungsprojekts beteiligte. Zu ihm gesellten sich Kollegen vom CNR-IOM Triest, der Ca‘ Foscari Universität Venedig, der Universität Mailand, der Universität Würzburg (Deutschland), der University of St. Andrews (UK), dem Boston College und der University of Santa Barbara (USA).

Durch fortschrittliche experimentelle Techniken, die Verwendung von Licht, das von einem Teilchenbeschleuniger, dem Synchrotron, erzeugt wurde, und dank moderner Techniken zur Modellierung des Verhaltens von Materie konnten die Wissenschaftler erstmals den Elektronenspin messen, der mit dem Konzept der Topologie in Zusammenhang steht.

„Wenn wir zwei Objekte wie einen Fußball und einen Donut nehmen, stellen wir fest, dass ihre spezifischen Formen unterschiedliche topologische Eigenschaften bestimmen, beispielsweise weil der Donut ein Loch hat, der Fußball jedoch nicht“, erklärt Domenico Di Sante. „In ähnlicher Weise wird das Verhalten von Elektronen in Materialien durch bestimmte Quanteneigenschaften beeinflusst, die ihre Rotation in der Materie, in der sie sich befinden, bestimmen, ähnlich wie die Flugbahn des Lichts im Universum durch die Anwesenheit von Sternen, Schwarzen Löchern und Dunkelheit verändert wird.“ Materie und dunkle Energie, die Zeit und Raum verbiegen.“

Obwohl diese Eigenschaft von Elektronen seit vielen Jahren bekannt ist, war es bisher niemandem möglich, diesen „topologischen Spin“ direkt zu messen. Um dies zu erreichen, nutzten die Forscher einen besonderen Effekt namens „Zirkulardichroismus“ aus: eine spezielle experimentelle Technik, die nur mit einer Synchrotronquelle angewendet werden kann und die Fähigkeit von Materialien ausnutzt, Licht je nach Polarisation unterschiedlich zu absorbieren.

Wissenschaftler haben sich besonders auf „Kagome-Materialien“ konzentriert, eine Klasse von Quantenmaterialien, die ihren Namen ihrer Ähnlichkeit mit dem Geflecht aus ineinander verwobenen Bambusfäden verdanken, aus denen ein traditioneller japanischer Korb besteht (der tatsächlich „Kagome“ genannt wird). Diese Materialien revolutionieren die Quantenphysik und die erzielten Ergebnisse könnten uns helfen, mehr über ihre besonderen magnetischen, topologischen und supraleitenden Eigenschaften zu erfahren.

„Diese wichtigen Ergebnisse waren dank einer starken Synergie zwischen experimenteller Praxis und theoretischer Analyse möglich“, fügt Di Sante hinzu. „Die theoretischen Forscher des Teams verwendeten ausgefeilte Quantensimulationen, die nur durch den Einsatz leistungsstarker Supercomputer möglich waren, und führten auf diese Weise ihre experimentellen Kollegen zu dem spezifischen Bereich des Materials, in dem der Zirkulardichroismus-Effekt gemessen werden konnte.“