Materialeigenschaften durch Teilchenkollisionen beeinflussen

18. September 2014, 20:30
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Innsbrucker Physiker beobachteten in ultrakaltem Quantengas deformierte Fermi-Flächen - Hoffnung auf Beeinflussung von Eigenschaften neuer Quantenmaterialien

Innsbruck - Wie die Richtung und Stärke von Teilchenkollisionen die Eigenschaften eines Materials beeinflusst, haben Tiroler Physiker aktuell in einem Experiment beobachtet. Sie verwendeten dazu ein ultrakaltes Quantengas aus Erbiumatomen. Mit solchen Versuchsanordnungen versuchen die Wissenschafter, die Eigenschaften neuer Quantensysteme zu verstehen. Die aktuelle Studie erschien im Fachjournal "Science".

Um die komplexen Vorgänge in Materialien zu beschreiben, greift die Wissenschaft zu unterschiedlichen Konzepten: Eines davon ist die sogenannte Fermi-Fläche. Sie beschreibt die Energiezustände der Elektronen, von denen zum Beispiel die Eigenschaften eines Metalls abhängen: Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetismus.

Isotrope Wechselwirkungen

Elektronen sind sogenannte Fermionen. Das heißt, sie haben einen halbzahligen Spin (Eigendrehimpuls), so wie etwa auch Quarks oder Neutrinos. Nach dem vom österreichischen Physiker Wolfgang Pauli (1900-1958) formulierten Ausschlussprinzip dürfen zwei Fermionen am gleichen Ort nicht einen identischen Quantenzustand besetzen - im Fall der Elektronen etwa das gleiche Energieniveau haben.

Stoßen solche fermionischen Teilchen aus allen möglichen Richtungen mit der gleichen Kraft zusammen - die Wissenschafter sprechen dann von "isotropen Wechselwirkungen" - ergibt die Fermi-Fläche die Form einer Kugel. "Das ist in der Natur der Normalfall und bildet die Basis vieler physikalischer Phänomene", erklärt Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck und wissenschaftliche Direktorin am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften.

Deformation beobachtet

Sind die Zusammenstöße in bestimmten Richtungen aber heftiger oder leichter ("anisotrope Wechselwirkung"), verändert dies das physikalische Verhalten eines Systems völlig. Diese Form der Wechselwirkung deformiert die Fermi-Fläche zu einem Ellipsoid. Genau so eine Deformation konnten die Innsbrucker Forscher nun erstmals beobachten.

Dies gelang in einem komplizierten Versuchsaufbau, in dem fermionische Atome des Elements Erbium in einer Falle aus Laserlicht gefangen und bis nahe zum absoluten Temperatur-Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) abgekühlt werden. Erbium ist ein stark magnetisches Seltenerdmetall mit richtungsabhängiger Wechselwirkung.

Komplexe Simulationen

"Wir konnten damit erstmals zeigen, dass die Eigenschaften eines Vielkörperquantensystems von der Geometrie der Wechselwirkung der Teilchen, also Richtung und Stärke der Teilchenkollisionen abhängt", so Ferlaino. Wie diese Beeinflussung vor sich geht, sei eine sehr generelle Frage, die Physiker vieler unterschiedlicher Fachgebiete interessiere.

Ultrakalte Quantengase könnten hier einmal mehr als Testfeld für die Simulation komplexer Szenarien dienen. "Nur wenn wir verstehen, wie die Wechselwirkung der Teilchen das Quantenmaterial beeinflusst, können wir Aussagen über mögliche Eigenschaften neuer Materialien machen", so die Physikerin. (APA/red, derStandard.at, 18.9.2014)

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