Fraktale Elektronen und ein neues Maßsystem

Im vergangenen Jahr gab es nicht nur eine ganze Reihe wichtiger technologischer Entwicklungen, sondern auch etliche Tests fundamentaler physikalischer Eigen­schaften. So konnte eine Rekord­messung den Wert der Fein­struktur­konstante auf zehn Nach­komma­stellen fest­legen. Das ist nicht zuletzt in Hinsicht auf die Revision des Einheiten­systems von Bedeutung, bei dem nun Natur­konstanten und keine menschen­gemachten Objekte mehr als grund­legende Maß­stäbe gelten. Auch die Gravitations­konstante konnte genauer bestimmt werden als je zuvor, sogar anhand von zwei unter­schiedlichen Experimenten. Mit Hilfe eines Verbunds von Atom­uhren ließ sich auch das Prinzip der lokalen Positions­invarianz fünf­fach genauer als bei früheren Messungen bestimmen – eine wichtige Grund­lage der Relativitäts­theorie. Aber auch die fundamentale Grenze für Wärme­produktion bei der Quanten­informations­verarbeitung ließ sich experimentell bestätigen. Dieses Quanten-Landauer-Limit ist etwa beim Bau von Quanten­computern von Bedeutung, denn es beschreibt die mindestens notwendige Entropie­erhöhung bei Quanten­kalkulationen.

Einen anderen Rekord konnten Wissenschaftler mit ihrer Variante einer Sisyphos-Kühlung erzielen. Dadurch konnten sie Moleküle auf die Rekord­temperatur von nur noch zwanzig Mikro­kelvin herunter­kühlen sowie auch bei der Dichte Höchst­werte erzielen. Das ermöglicht neue Abbildungs­verfahren für einzelne Moleküle und fundamentale Tests der Quanten­physik. An Bord der Forschungs­rakete Maius-1 gelang Forscher erstmals auch die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats im All. Mit solchen Kondensaten sollen künftig etwa an Bord der Inter­nationalen Raum­station ebenfalls fundamentale physikalische Tests möglich werden.

Topologisch und exotisch

Der Nobelpreis für die Erforschung topologischer Materialien 2016 an David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz hat diesem Gebiet einen gehörigen Schub gegeben. Immer neue exotische Materialien mit besonderen Eigen­schaften sind in den letzten Jahren entdeckt worden. So konnten mechanische Modelle aus rotierenden Kreiseln den Weg zur Fertigung topologischer Isolatoren aus amorphen Materialien ebnen. Ein topologischer Supra­leiter wiederum weist aufgrund seiner un­gewöhnlichen Band­struktur die Möglichkeit auf, Majorana-Zustände zu realisieren. Damit ließen sich in Zukunft besonders robuste topologische Majorana-Quanten­bits entwickeln. Ein anderes Material, eine Heusler-Legierung, zeigte hingegen einen großen anomalen Nernst-Effekt und besaß die elektronische Struktur eine magnetischen Weyl-Semi­metalls, was unter anderem für thermo­elektrische Elemente interessant ist. In einem anderen Material ließen sich Weyl-Fermionen durch starke Laser­pulse erzeugen.

Einen außergewöhnlichen Effekt hatte auch die geschickte atomare Manipulation elektronischer Zustände auf einer Kupfer­oberfläche: Durch Einsperren in einem dreifach verschachtelten Sierpinski-Dreieck nahm die Wellen­funktion der Elektronen eine fraktale Dimension an, was zu völlig neuartigen atomaren Schaltungen führen könnte. Außerdem ließen sich spezielle Quanten­spin­zustände, sogenannte Bethe-Strings, über achtzig Jahre nach ihrer theoretischen Untersuchung erstmals experimentell erstellen. Eine exotische Quanten­flüssigkeit mit räumlich fixierten elektrischen Dipolen in einem ungeordneten und verschränkten Zustand ließ sich ebenfalls zum ersten Mal nach­weisen. Und ein kaltes Gas verwandelte sich durch Beleuchtung mit Mikro­wellen in einen Supra­leiter. Die Oszillation seiner Cooper-Paare entsprach dabei den Quanten­eigenschaften des Higgs-Bosons.

Ungewöhnliche Materialien

Ein bisschen weniger exotisch – rein quanten­theoretisch gesehen –, doch immer noch sehr ungewöhnlich verhielten sich einige andere Materialien. So besitzen Zinksulfid-Kristalle ein außer­gewöhnliches Plastizitäts­verhalten: Im Dunkeln sind sie plastisch, im Hellen werden sie spröde. Das liegt an der Beweglichkeit von Gitter­fehlern im Kristall. Kohlen­stoff-Nano­fasern zählen zu den stärksten Faser­werk­stoffen überhaupt. Dank eines neuen Produktions­verfahrens lassen sich nun extrem feste Bündel aus Nano­röhrchen herstellen. Eine andere Variante von Kohlen­stoff ist zwar ebenfalls für ihre Festig­keit berühmt, aller­dings nicht unbedingt für ihre Flexibilität: Doch nun gelang es Forschern, elastische Nano­nadeln aus künstlichem Diamant herzustellen, die unbeschadet große Deformationen über­stehen können. Noch teurer als Diamant, aber sehr viel poröser ist ein metall­organischer Fest­körper, der am Computer entworfen wurde und das höchste spezifische Poren­volumen von allen bekannten kristallinen Netz­werk­materialien aufweist. Und während man bei Kristallen vornehmlich an kleinere oder größere quader­förmige Objekte denkt, so könnte sich dies dank eines ausgeklügelten Prozesses ändern: Inzwischen lassen sich auch hauch­dünne Metall­folien als Ein­kristalle herstellen.

Die Kontrolle über die Materie­zustände auf atomarer und molekularer Ebene erweitert auch die technologischen Möglichkeiten immer weiter. Ein Van-der-Waals-Kristall konnte nun als Isotopen­sieb dienen, denn Deuteronen dringen in seine Schicht­stapel besser ein als Protonen. Und eine ferro­elektrische Keramik zeigte nach Samarium-Dotierung einen riesigen Piezo-Koeffizienten. Offenbar war die dadurch hervor­gerufene Unordnung für den Super­piezo­effekt verantwortlich – eine Erkenntnis, mit der sich in Zukunft wohl auch andere Piezo­elemente verbessern lassen. Wasser hat eine große Dielektrizitäts­konstante, doch lässt sich dieser Wert durch Nano­strukturen massiv beeinflussen: In Nano­meter engen Spalten sank dieser Wert bis auf ein Vierzigstel ab – eine elektrisch tote Wasserschicht.

Neue Technologien

Die gezielte Manipulation der Materie beschränkt sich inzwischen nicht mehr auf einzelne Atome: Sogar einzelne Elektronen lassen sich mit einem Raster­kraft­mikroskop wie mit einem Gabel­stapler hin- und her­transportieren. Noch ist die Lebens­dauer dieser Elektronen­zustände begrenzt, aber damit wollen die Forscher künftig Elektronen­muster auf eine Ober­fläche schreiben. Ein Rubidium-basiertes Komagneto­meter soll als Gyro­skop dank seiner hohen Präzision die Suche nach neuer Physik erleichtern. Und ein photonischer Chip macht es möglich, komplexe molekulare Quanten­dynamiken mit Hilfe von Photonen zu simulieren. Umgekehrt hat eine andere Forschergruppe die spontane Emission bosonischer Atome genutzt, um damit die Abstrahlung von Photonen nach­zustellen. Denn ultra­kalte Atome, die in optischen Gittern eingesperrt sind, ermöglichen die Simulation solcher Prozesse unter genau einstellbaren Ideal­bedingungen.

In der Quanten- und Atom­physik finden sich auch zunehmend Methoden wieder, die aus der Optik und Photonik adaptiert wurden. So konnten Wissen­schaftler erstmals auch das Ghost Imaging mit einem Elektronen­strahl durchführen. Der Clou dabei lag in der Ausnutzung strukturierter Beleuchtungs­muster, wodurch ganz neue Einsatz­möglichkeiten für derartige Abbildungs­verfahren möglich werden. Die chemische Reaktion einzelner Atome konnten Forscher studieren, indem sie zwei Alkali­atome mit einer optischen Pinzette festhielten und dann mit­einander wechsel­wirken ließen. Das ermöglicht das direkte Studium chemischer Prozesse auf der kleinst­möglichen Skala. Und sehr viel enger lässt sich Licht nicht einfangen: In einer Hetero­struktur wurden die Licht­wellen als zwei­dimensionale Plasmonen in einer mono­atomaren Schicht eingesperrt.

Bausteine für das Quantencomputing

Die Ausnutzung topologischer Zustände soll künftig die Robust­heit von Quanten­prozessoren erhöhen. Es geht aber auch umgekehrt: Mit Hilfe eines D-Wave-Quanten­prozessors haben Forscher einen exotischen Phasen­übergang in einem zwei­dimensionalen Spin­system untersucht, den magnetischen Kosterlitz-Thouless-Phasen­übergang. Ebenfalls auf einem solchen Prozessor ließ sich ein drei­dimensionales kubisches Spin­system aus insgesamt 512 Spins simulieren. Damit lässt sich unter anderem der Über­gang von einem Anti­ferro­magneten zu einem Spin­glas untersuchen. Und ein Atom­bau­kasten für das Quanten­computing könnte in Zukunft ganz neue Möglich­keiten eröffnen. Wissenschaftler konnten Dutzende von Atomen in einem drei­dimensionalen Licht­gitter platzieren und für kurze Zeit an ihrem Ort fest­halten, wobei die Atome unter­einander wechsel­wirken konnten.

Für kommende Quantencomputer mit einer Vielzahl von Qubits ist der Schutz gegen äußere Stör­effekte wichtig, die den Rechen­prozess schnell unmöglich machen. Hier könnten sich eventuell Spin-Qubits mit Quadrupol-Kopplung als besonders robust erweisen. Will man Qubits miteinander verknüpfen, dann bieten sich Stick­stoff-Fehl­stellen-Zentren in Diamant an, die besonders lang­lebig sind. Solche ließen sich nun auf Knopf­druck mit­einander verschränken. Quanten­informationen wollen aber nicht nur geschrieben und verarbeitet, sondern auch ausgelesen werden, was mitunter ein lang­wieriger Prozess sein kann. Man kann aber selbst hoch­dimensional verschränkte Quanten­systeme mit nur zwei Messungen auslesen anstatt mit vielen – eine deutliche Steigerung der Effizienz. Die Zertifizierung von Quanten­computern ist ebenfalls ein Gebiet, das sich in Entwicklung befindet. Ein Bell-inspiriertes Protokoll soll das korrekte Funktionieren dieser Geräte gewährleisten.

Graphen wird supraleitend

Auch bei den zweidimensionalen Materialien ist 2018 einiges passiert. So erwies sich mehr­lagiges Stanen über­raschender­weise als Supra­leiter. Stanen ist ebenso wie Graphen ein hexa­gonales zwei­dimensionales Material, besteht allerdings aus Zinn und nicht aus Kohlen­stoff. Aber auch doppel­lagiges Graphen ist ein Supra­leiter, wenn seine Schichten in einem magischen Winkel aufeinander liegen. Damit könnte man vielleicht sogar supra­leitende Qubits bauen. In tief­gekühltem Graphen können sich auch lang­lebige Plasmonen halten. Das wiederum könnte zu leistungs­fähigen Bau­elementen für die Nano­photonik führen.

Man kann Graphen strecken, etwa indem man es auf einer Unterlage aus einem Material mit einem etwas größeren Atom­abstand wie Kupfer wachsen lässt. Dadurch ändern sich die elektronischen Eigenschaften. Das Wachsen von Graphen wiederum konnten Forscher mit einem schnellen Raster­tunnel­mikroskop beobachten. Dadurch lässt sich der Prozess etwa durch Zugabe mobiler Adatome beschleunigen. Als dichtes Gitter ist selbst ein­lagiges Graphen beinahe undurch­lässig für Atome oder Moleküle, doch können einzelne Atome es durch­dringen. Bei der Beleuchtung mit weißem Licht erhöhte sich diese Rate jedoch: Dieser Photo­effekt beschleunigte den Protonen­transport um den Faktor zehn. Das ermöglicht den Einsatz einer solchen Zelle sowohl als Trenn­membran in Brennstoff­zellen als auch als Photo­detektor oder für die Trennung von Wasserstoff­isotopen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• R. Scharf: Quantenkommunikation, Quantentests und Zeit­kristalle – Jahres­rückblick Atom-, Molekül-, Quanten- und Fest­körper­physik 2017, pro-physik.de, 28. Dezember 2017
• R. Scharf: Antiwasserstoff, Quantensimulation und Topologie – Jahres­rückblick Atom-, Molekül-, Quanten- und Fest­körper­physik 2016, pro-physik.de, 30. Dezember 2016