Physiker entdecken Methode zur Emulation nichtlinearer Quantenelektrodynamik im Labor

Auf der großen Leinwand, in Videospielen und in unserer Vorstellung blitzen Lichtschwerter auf und fangen sich, wenn sie zusammenstoßen. In Wirklichkeit gehen die Lichtstrahlen wie in einer Laserlichtshow durcheinander und erzeugen Spinnennetzmuster. Dieses Zusammenprallen oder Interferieren passiert nur in der Fiktion – und an Orten mit enormen magnetischen und elektrischen Feldern, was in der Natur nur in der Nähe von massiven Objekten wie Neutronensternen passiert. Hier zeigt das starke magnetische oder elektrische Feld, dass ein Vakuum nicht wirklich ein Nichts ist. Wenn sich Lichtstrahlen hier kreuzen, zerstreuen sie sich stattdessen in Regenbögen. Eine abgeschwächte Version dieses Effekts wurde in modernen Teilchenbeschleunigern beobachtet, aber er fehlt vollständig in unserem täglichen Leben oder sogar in normalen Laborumgebungen.

Yuli Lyanda-Geller, Professorin für Physik und Astronomie am College of Science der Purdue University, wandte in Zusammenarbeit mit Aydin Keser und Oleg Sushkov von der University of New South Wales in Australien störungsfreie Methoden der Quantenfeldtheorie an, die zur Beschreibung hochenergetischer Teilchen verwendet werden und erweiterten sie um die Analyse des Verhaltens sogenannter Dirac-Materialien, die in letzter Zeit in den Fokus des Interesses gerückt sind. Sie nutzten die Erweiterung, um Ergebnisse zu erhalten, die sowohl über bekannte Hochenergieergebnisse als auch über den allgemeinen Rahmen der Festkörper- und Materialphysik hinausgehen.

Sie schlugen verschiedene experimentelle Konfigurationen mit angelegten elektrischen und magnetischen Feldern vor und analysierten die besten Materialien, die es ihnen ermöglichen würden, diesen quantenelektrodynamischen Effekt in einer Umgebung ohne Beschleuniger experimentell zu untersuchen. Anschließend entdeckten sie, dass ihre Ergebnisse einige magnetische Phänomene, die in früheren Experimenten beobachtet und untersucht worden waren, besser erklärten.

Keser, Lyanda-Geller und Sushkov entdeckten, dass es möglich ist, diesen Effekt in einer Klasse neuartiger Materialien zu erzeugen, die Wismut (seine festen Lösungen mit Antimon und Tantalarsenid) beinhalten. Mit diesem Wissen kann der Effekt untersucht werden, was möglicherweise zu wesentlich empfindlicheren Sensoren sowie zu Superkondensatoren zur Energiespeicherung führt, die durch ein kontrolliertes Magnetfeld ein- und ausgeschaltet werden könnten.

„Am wichtigsten ist, dass eines der tiefsten Quantengeheimnisse des Universums in einem kleinen Laborexperiment getestet und untersucht werden kann“, sagte Lyanda-Geller. „Mit diesen Materialien können wir die Auswirkungen des Universums untersuchen. Wir können von unseren Labors aus untersuchen, was in Neutronensternen passiert.“

Yuli Lyanda-Geller ist Expertin für mesoskopische Physik und Interferenzphänomene, optische Phänomene in Nanostrukturen und die Physik der Quanteninformation, und das Papier ist online verfügbar im Briefe zur körperlichen Überprüfung.