Forscher beobachten einen in der Quantenwelt einzigartigen Effekt

Viele Stoffe verändern ihre Eigenschaften, wenn sie unter eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt werden. Ein solcher Phasenübergang tritt beispielsweise beim Gefrieren von Wasser auf. Allerdings gibt es bei bestimmten Metallen Phasenübergänge, die es im Makrokosmos nicht gibt. Sie entstehen aufgrund der besonderen Gesetze der Quantenmechanik, die im Bereich der kleinsten Bausteine ​​der Natur gelten.

Es wird angenommen, dass das Konzept von Elektronen als Träger quantisierter elektrischer Ladung in der Nähe dieser exotischen Phasenübergänge nicht mehr gilt. Forscher der Universität Bonn und der ETH Zürich haben nun einen Weg gefunden, dies direkt nachzuweisen. Ihre Erkenntnisse ermöglichen neue Einblicke in die exotische Welt der Quantenphysik. Die Publikation ist jetzt in der Zeitschrift erschienen Naturphysik.

Kühlt man Wasser unter null Grad Celsius, erstarrt es zu Eis. Dabei verändert es schlagartig seine Eigenschaften. Als Eis hat es beispielsweise eine viel geringere Dichte als im flüssigen Zustand – weshalb Eisberge schwimmen. In der Physik wird dies als Phasenübergang bezeichnet.

Es gibt aber auch Phasenübergänge, bei denen sich charakteristische Eigenschaften eines Stoffes allmählich verändern. Wird beispielsweise ein Eisenmagnet auf bis zu 760 Grad Celsius erhitzt, verliert er seine Anziehungskraft auf andere Metallteile – er ist dann nicht mehr ferromagnetisch, sondern paramagnetisch. Dies geschieht jedoch nicht schlagartig, sondern kontinuierlich: Die Eisenatome verhalten sich wie winzige Magnete.

Bei niedrigen Temperaturen sind sie parallel zueinander ausgerichtet. Bei Erwärmung schwanken sie immer mehr um diese Ruhelage, bis sie sich völlig zufällig ausrichten und das Material seinen Magnetismus vollständig verliert. Während das Metall erhitzt wird, kann es sowohl etwas ferromagnetisch als auch etwas paramagnetisch sein.

Materieteilchen können nicht zerstört werden

Der Phasenübergang vollzieht sich also sozusagen allmählich, bis schließlich das gesamte Eisen paramagnetisch ist. Unterwegs verlangsamt sich der Übergang immer mehr. Dieses Verhalten ist charakteristisch für alle kontinuierlichen Phasenübergänge. „Wir nennen es ‚kritisches Verlangsamen‘“, erklärt Prof. Dr. Hans Kroha vom Bethe-Zentrum für Theoretische Physik der Universität Bonn. „Der Grund dafür ist, dass die beiden Phasen bei kontinuierlichen Übergängen energetisch immer näher zusammenrücken.“

Es ist ähnlich wie beim Platzieren eines Balls auf einer Rampe: Dann rollt er bergab, aber je kleiner der Höhenunterschied, desto langsamer rollt er. Beim Erhitzen von Eisen nimmt der Energieunterschied zwischen den Phasen immer mehr ab, unter anderem weil die Magnetisierung während des Übergangs zunehmend verschwindet.

Eine solche „Verlangsamung“ ist typisch für Phasenübergänge, die auf der Anregung von Bosonen beruhen. Bosonen sind Teilchen, die Wechselwirkungen „erzeugen“ (auf denen beispielsweise der Magnetismus basiert). Materie hingegen besteht nicht aus Bosonen, sondern aus Fermionen. Zu den Fermionen gehören beispielsweise Elektronen.

Phasenübergänge beruhen darauf, dass Teilchen (oder auch die durch sie ausgelösten Phänomene) verschwinden. Das bedeutet, dass der Magnetismus im Eisen immer kleiner wird, je weniger Atome parallel ausgerichtet sind. „Fermionen können jedoch aufgrund grundlegender Naturgesetze nicht zerstört werden und daher nicht verschwinden“, erklärt Kroha. „Deshalb sind sie normalerweise nie an Phasenübergängen beteiligt.“

Elektronen verwandeln sich in Quasiteilchen

Elektronen können in Atomen gebunden sein; sie haben dann einen festen Ort, den sie nicht verlassen können. Einige Elektronen in Metallen hingegen sind frei beweglich – weshalb diese Metalle auch Strom leiten können. In bestimmten exotischen Quantenmaterialien können beide Arten von Elektronen einen Überlagerungszustand bilden. Dadurch entstehen sogenannte Quasiteilchen.

Sie sind gewissermaßen unbeweglich und mobil zugleich – eine Eigenschaft, die nur in der Quantenwelt möglich ist. Diese Quasiteilchen können – anders als „normale“ Elektronen – bei einem Phasenübergang zerstört werden. Damit lassen sich auch dort die Eigenschaften eines kontinuierlichen Phasenübergangs, insbesondere die kritische Verlangsamung, beobachten.

Bisher konnte dieser Effekt nur indirekt in Experimenten beobachtet werden. Forscher um den theoretischen Physiker Hans Kroha und die Experimentalgruppe von Manfred Fiebig an der ETH Zürich haben nun eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, den Kollaps von Quasiteilchen an einem Phasenübergang und insbesondere die damit verbundene kritische Verlangsamung direkt zu identifizieren.

„Damit konnten wir erstmals direkt zeigen, dass eine solche Verlangsamung auch in Fermionen auftreten kann“, sagt Kroha, der auch Mitglied des Transdisziplinären Forschungsbereichs „Materie“ der Universität Bonn und des Exzellenzclusters ist. Materie und Licht für Quantencomputing“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Das Ergebnis trägt zu einem besseren Verständnis von Phasenübergängen in der Quantenwelt bei. Langfristig könnten die Erkenntnisse auch für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie nützlich sein.