Atome schwingen auf Kreisbahnen – mit unerwarteter Wendung

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Helm­holtz-Zentrums Dresden-Rossen­dorf (HZDR) und des Fritz-Haber-Insti­tuts der Max-Planck-Gesell­schaft hat erstmals direkt beobachtet, wie der Drehimpuls auf atomarer Ebene in einem Kristallgitter weitergegeben und erhalten wird. Mithilfe starker Tera­hertz-Laser­impulse konnten die Forschenden diese Dynamik gezielt steuern. Dabei entdeckten sie einen überraschenden Effekt: Bei der Übertragung kehrt sich die Drehrichtung um – verursacht durch die Rotationssymmetrie des Materials. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Grundlagen des Magnetismus und eröffnen Möglichkeiten zur gezielten Kontrolle von Quantenmaterialien.

Während der Drehimpuls im Alltag etwa bei rotierenden Karussells oder beim Fahrradfahren anschaulich wird, spielt er auf Quantenebene eine zentrale Rolle – unter anderem als Ursprung des Magnetismus. Bereits vor mehr als einhundert Jahren beobachteten Albert Einstein und Wander Johannes de Haas in einem berühmten Experiment, dass eine messbare Drehbewegung auslöst wird, wenn sich die Magnetisierung eines Materials ändert – und damit, dass magnetischer und mechanischer Drehimpuls miteinander verknüpft sind. Seitdem beschäftigt Forschende die Frage, wie sich der dabei entstehende Drehimpuls im Inneren eines Festkörpers verteilt, also wie er über das Kristallgitter – die regelmäßige Anordnung der Atome – weitergegeben wird.

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Mehr als ein Hall-Effekt

Nun ist es einem internationalen Team von Physiker:innen aus Berlin, Dresden, Jülich, Tel Aviv und Eindhoven gelungen, diesen Prozess erstmals direkt zu beobachten. Die Forschenden zeigen, wie der Drehimpuls zwischen verschiedenen Gitterschwingungen übertragen wird. Damit liefern sie eine wichtige Grundlage, um zu verstehen, wie sich Magnetismus in Festkörpern einstellt und stabilisiert.

Darüber hinaus konnte das Team die Drehrichtung atomarer Kreisbewegungen mithilfe ultrastarker Laserimpulse im Terahertz-Spektralbereich gezielt kontrollieren. Diese unsichtbaren Laserimpulse steuern eine bestimmte Gitterschwingung auf eine Kreisbahn, während ein zweiter ultrakurzer Laserimpuls eine andere gekoppelte Schwingung des Kristalls abtastet. Dabei zeigte sich ein überraschender Effekt: Beim Übergang zwischen diesen Schwingungen kehrt sich die Richtung des Drehimpulses um.

Ursache dafür ist die besondere Rotationssymmetrie des Kristallgitters: Bestimmte Drehzustände sind darin physikalisch gleichwertig, auch wenn sie entgegengesetzte Drehrichtungen haben. Die experimentelle Beobachtung stellt damit einen direkten quantenmechanischen „Fingerabdruck“ der Drehimpulserhaltung im Festkörper dar.

Für das untersuchte Quantenmaterial Bismutselenid zeigt sich daher ein ungewohntes Bild: Die an die Gitterschwingungen gebundenen Gitterdrehimpulse können sich so kombinieren, dass eine Rotation mit doppelter Frequenz, aber umgekehrter Drehrichtung entsteht. Anschaulich entspricht dieses „1 + 1 = −1“ einem sogenannten Umklapp-Prozess, bei dem sich die Bewegungsrichtung durch die Symmetrie des Kristallgitters gewissermaßen umkehrt. Ein solcher Prozess konnte nun erstmals experimentell für Gitterdrehimpulse nachgewiesen werden.

„Ich finde es außerordentlich ästhetisch, wie physikalische Gesetze direkt durch die Symmetrien der Natur vorgegeben werden“, sagt Olga Minakova, Doktorandin am Fritz-Haber-Institut und federführende Experimentalphysikerin der Studie. Sebastian Maehrlein, Abteilungsleiter am Institut für Strahlenphysik des HZDR, Professor an der TU Dresden und Leiter der Studie, ergänzt: „Für mich sind das außergewöhnlich spannende Ergebnisse. Wir haben hier etwas fundamental Neues entdeckt, das hoffentlich in die Lehrbücher eingehen wird.“

Langfristig ebnen die Ergebnisse den Weg für die gezielte Steuerung ultraschneller Prozesse in Quantenmaterialien und könnten so neue Impulse für zukünftige Informationstechnologien und innovative Datenspeicher liefern. [HZDR / dre]