DRESDEN / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Ein internationales Forschungsteam hat einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenforschung erzielt, indem es das Phänomen der Quanten-Tornados experimentell nachgewiesen hat.
Die Welt der Quantenphysik hat einen neuen Meilenstein erreicht: Quanten-Tornados. Diese faszinierenden Strukturen wurden von einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Maximilian Ünzelmann entdeckt, der am Exzellenzcluster ct.qmat der Universitäten Würzburg und Dresden tätig ist. Die Entdeckung, dass Elektronen in einem Quantenmaterial nicht nur Wirbel, sondern im Impulsraum sogar Tornados bilden können, eröffnet neue Horizonte in der Quantenforschung.
Der Impulsraum ist ein abstraktes Konzept, das die Bewegung von Elektronen anhand ihrer Energie und Bewegungsrichtung beschreibt, im Gegensatz zum Ortsraum, der die physische Position darstellt. Während Quantenwirbel im Ortsraum bereits bekannt waren, ist der Nachweis von Wirbeln im Impulsraum ein Novum. Diese Entdeckung könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Quantentechnologien haben.
Vor acht Jahren hatte Roderich Moessner, ein Gründungsmitglied von ct.qmat, theoretisch vorhergesagt, dass Quanten-Tornados im Impulsraum möglich sind. Er beschrieb dieses Phänomen als “Rauchring”, da es aus Wirbeln besteht. Die Herausforderung bestand jedoch darin, diese Wirbel zu messen. Dank der Weiterentwicklung der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) durch das Würzburger Forschungsteam konnte nun der orbitale Bahndrehimpuls der Elektronen gemessen werden, was den Nachweis der Quanten-Tornados ermöglichte.
Die Methode ARPES erlaubt es, Materialproben mit Licht zu bestrahlen, wodurch Elektronen herausgelöst und deren Energie sowie Austrittswinkel gemessen werden können. Diese Technik bietet einen direkten Einblick in die elektronische Struktur von Materialien im Impulsraum. Ünzelmann und sein Team nutzten diese Methode, um die dreidimensionale Struktur des orbitalen Bahndrehimpulses zu visualisieren und die Existenz der Quanten-Tornados zu bestätigen.
Die Entdeckung dieser Quanten-Tornados könnte die Grundlage für neue Technologien wie die Orbitronik bilden, bei der das orbitale Drehmoment der Elektronen zur Informationsübertragung genutzt wird. Diese Technologie könnte die Energieverluste in elektronischen Bauteilen erheblich reduzieren und somit die Effizienz steigern.
Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit nicht nur das Verständnis der Quantenphysik vertieft, sondern auch praktische Anwendungen in der Elektronik und Informationstechnologie findet. Die Möglichkeit, das Verhalten von Elektronen im Impulsraum zu kontrollieren, könnte zu bahnbrechenden Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der Entwicklung neuer elektronischer Geräte führen.
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