In Dresden vorhergesagt, dann nachgewiesen: Quanten-Tornados im Forschungsfokus

Es sind keine großen Naturschauspiele, sondern mikroskopisch kleine – die aber für reichlich Wirbel in der Fachwelt sorgen: Quanten-Tornados. Bereits vor acht Jahren hat der Dresdner Forscher Roderich Moessner das neue Quantenphänomen theoretisch vorhergesagt. Doch erst jetzt konnte es von einem Forschungsteam des Exzellenzclusters ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter) der Universitäten in Dresden und Würzburg tatsächlich nachgewiesen werden. 
 
Mit dem erstmaligen praktischen Nachweis der sogenannten Quanten-Tornados ist dem Team um Dr. Maximilian Ünzelmann, Gruppenleiter des Exzellenzclusters ct.qmat, ein echter Meilenstein  gelungen. Bei dem Phänomen handelt es sich um ein wirbelartiges Verhalten der Elektronen im Impulsraum. 

Der Nachweis stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung von Quantenmaterialien dar und könnte etwa die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien wie der Orbitronik entscheidend beeinflussen. Bei der Orbitronik wird das orbitale Drehmoment der Elektronen zur Informationsübertragung genutzt, was Energieverluste in elektronischen Bauteilen reduzieren könnte. Geradezu revolutionär werden könnte das zukünftig bei der Herstellung von Quantenbauteilen.

Zusammen mit den Forschenden aus Würzburg gelang den Dresdnern schließlich der Durchbruch: Der Impulsraum ist ein physikalisches Konzept, das die Bewegung von Elektronen anhand ihrer Energie und Bewegungsrichtung beschreibt – im Gegensatz zum Ortsraum, der die Position der Elektronen abbildet. Während Quantenwirbel bisher nur im Ortsraum nachgewiesen werden konnten, ist es dem Team nun gelungen, diese im Impulsraum zu identifizieren. Die Wirbel werden durch orbitale Bahndrehimpulse der Elektronen geformt, also durch ihre Kreisbewegung um die Atomkerne.

Der Dresdner Forscher Roderich Moessner hatte dieses Phänomen bereits vor acht Jahren vorhergesagt. Damals hatte er es noch als „Rauchring“ bezeichnet, da Rauchringe ebenfalls aus Wirbeln zusammengesetzt sind.

„Der experimentelle Nachweis des Quanten-Tornados ist ein Beispiel für den Teamspirit von ct.qmat“, sagt Matthias Vojta, Professor für Theoretische Festkörperphysik an der TU Dresden und Dresdner Sprecher des Exzellenzclusters. „Erfolgreich verbinden wir mit den beiden Physik-Standorten Würzburg und Dresden zugleich Theorie und Experiment.“ Auch auf die internationale Kooperation ist er stolz: Die Materialprobe Tantal-Arsenid wurde in den USA gezüchtet und an der Großforschungseinrichtung PETRA III in Hamburg untersucht. Zudem waren Forschende aus China und Norwegen beteiligt.

Mehr Informationen

Zur Meldung der TU Dresden