Quantentornado aus Elektronen
Nachweis von Wirbeln im Impulsraum des Halbmetalls Tantalarsenid.
Durch die Erweiterung einer etablierten Methode konnte ein Team an der Universität Würzburg erstmals einen Quantentornado experimentell nachweisen. Dabei verhalten sich die Elektronen im Impulsraum des Quanten-Halbmetalls Tantalarsenid (TaAs) wirbelartig. Dieses Quantenphänomen hat ein Dresdner Gründungsmitglied des Exzellenzclusters ct.qmat bereits vor acht Jahren theoretisch vorhergesagt.
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Der Nachweis gelang einer Gruppe um Maximilian Ünzelmann am Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter der Universitäten Würzburg und Dresden. Die Forschenden hoffen, dass das wirbelartige Verhalten der Elektronen im Impulsraum in Zukunft Grundlage für neuartige Quantentechnologien wie zum Beispiel die Orbitronik sein könnte. Dabei wird statt der elektrischen Ladung das orbitale Drehmoment der Elektronen für die Informationsübertragung in elektronischen Bauteilen genutzt. Das könnte die Energieverluste wesentlich verringern.
Der Impulsraum ist ein physikalisches Konzept, mit dem die Bewegung von Elektronen anhand ihrer Energie- und Bewegungsrichtung bestimmt wird – und nicht mittels des konkreten Ortes, an dem sie sich befinden. Bisher konnten Quantenwirbel in Materialien nur im Ortsraum nachgewiesen werden. Dass ein Quanten-Tornado ebenfalls im Impulsraum möglich ist, sagte Roderich Moessner vor acht Jahren theoretisch vorher. Er beschrieb dieses Quantenphänomen damals als Rauchring, weil Rauchringe auch aus Wirbeln bestehen. Unklar war jedoch bis jetzt, wie man diese Wirbel überhaupt messen kann. In den Experimenten zeigte sich nun, dass der Quantenwirbel durch orbitale Bahndrehimpulse geformt wird. „Als wir erste Hinweise hatten, dass die vorhergesagten Quantenwirbel tatsächlich existieren und messbar sind, haben wir den Dresdner Kollegen kontaktiert und ein gemeinsames Projekt gestartet“, erinnert sich Ünzelmann.
Für den Nachweis entwickelte das Würzburger Team eine spezielle Variante der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie – kurz ARPES, Angle Resolved Photo Emission Spectroscopy. „ARPES gehört zum Standardrepertoire der experimentellen Festkörperphysik. Dabei werden Materialproben mit Licht bestrahlt, auf diese Weise Elektronen herausgelöst sowie deren Energie und Austrittswinkel gemessen. Das gewährt einen direkten Blick auf die elektronische Materialstruktur im Impulsraum“, sagt Ünzelmann. „Wenn man diese Methode geschickt ausnutzt, lässt sich der orbitale Bahndrehimpuls messen.“
Schon 2021 hatte Ünzelmann das Verfahren erweitert und mit dem Nachweis orbitaler Monopole in Tantalarsenid international für Aufmerksamkeit gesorgt. Durch die Ergänzung von ARPES mit einer Art Quanten-Tomographie wurde nun der Nachweis des Quantentornados möglich. „Wir haben die Probe schichtweise untersucht, wie man das von medizinischen Tomographien kennt. Die Einzelbilder wurden aneinandergereiht. So konnten wir die dreidimensionale Struktur des orbitalen Bahndrehimpulses sehen und nachweisen, dass die Elektronen im Impulsraum Wirbel bilden“, sagt Ünzelmann.
Die Kristallprobe aus Tantalarsenid wurde in den USA gezüchtet und anschließend an der internationalen Großforschungseinrichtung Petra III des Deutschen Elektronen Synchrotrons in Hamburg untersucht. An der theoretischen Modell-Bildung war außerdem ein Wissenschaftler aus China, am Experiment führend ein Forscher aus Norwegen beteiligt. Aktuell prüft das Team, ob das Material künftig für die Realisierung orbitronischer Quantenbauteile genutzt werden kann.
ct.qmat / JOL
