Deutsche Forscher haben Quanten-Tornados nachgewiesen: Werden Elektrogeräte damit effizienter?

Deutsche Wissenschaftler haben ein faszinierendes Phänomen nachgewiesen: Quanten-Tornados. Was sich zunächst wie Science-Fiction anhört, könnte die Grundlage für die Technologien der Zukunft bilden. Diese „Tornados“ sind keine Wirbelstürme im klassischen Sinne, sondern entstehen im Quantenraum der Elektronen. In einem speziellen Material, dem Quanten-Halbleiter TaAs (Tantal-Arsenid), konnten Forscher dieses Phänomen nun experimentell belegen. Ihre Ergebnisse stellten sie im Journal Physical Review X vor. Doch was bedeutet diese Entdeckung für uns? Und wie könnte sie die Technologien von morgen beeinflussen?

Acht Jahre alte These bestätigt

Damit hat sich die Theorie eines Dresdner Forschers laut mdr nun bestätigt: Quanten-Tornados existieren tatsächlich. Acht Jahre nach der theoretischen Vorhersage von Roderich Moessner, einem Dresdner Physiker, wurde dieses Phänomen erstmals experimentell nachgewiesen. Ein internationales Forschungsteam, das unter anderem an den Universitäten Dresden und Würzburg tätig ist, entdeckte, dass Elektronen im Quanten-Halbleiter TaAs wirbelartige Bewegungen ausbilden und sich dabei in einer Art Tornado im Impulsraum des Materials verhalten. Maximilian Ünzelmann, Gruppenleiter am Exzellenzcluster ct.qmat, führte die Messungen durch, die diesen faszinierenden Effekt belegten.

„Als wir erste Hinweise hatten, dass die vorhergesagten Quanten-Wirbel tatsächlich existieren und messbar sind, haben wir den Dresdner Kollegen kontaktiert und ein gemeinsames Projekt gestartet“, so Ünzelmann. Diese Entdeckung könnte weitreichende Folgen für die Zukunft der Quantenmaterialien und deren Anwendung in neuen Technologien haben, bei denen die Bewegung der Elektronen – und nicht nur ihre Ladung – genutzt wird. Der experimentelle Nachweis der Quanten-Tornados stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenforschung dar und könnte zur Entwicklung effizienter elektronischer Bauteile der nächsten Generation führen.

Was sind Quanten-Tornados?

Stellen Sie sich vor, Elektronen in einem Material bewegen sich nicht nur von A nach B, sondern sie folgen einem gewundenen, tornadoartigen Muster. Genau das haben Forscher in TaAs, einem besonderen Quantenmaterial, entdeckt. Diese sogenannten „Orbital-Wirbellinien“ existieren nicht in der normalen Welt, sondern im sogenannten Impulsraum – einem unsichtbaren Raum, in dem die Bewegungen der Elektronen und deren Energie beschrieben werden.

Um Quanten-Tornados sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher eine spezielle Technik namens SX-ARPES (Weiche Röntgen-ARPES). Diese Methode ermöglicht es, die Bewegungen und Energien der Elektronen in dreidimensionalem Raum zu messen. Mit dieser Technik konnten die Forscher die wirbelartigen Bewegungen der Elektronen nachweisen – ein Beweis dafür, dass diese Quanten-Tornados nicht nur ein theoretisches Konzept sind, sondern real existieren.

„Unser zentrales Ergebnis ist eine 3D-Karte des reziproken Raums, die eindeutig topologische Wirbellinien in der Orbitaltextur von TaAs zeigt“, so die Forscher. Diese Entdeckung ist eine echte technologische Neuerung, die uns hilft, Quantenphänomene besser zu verstehen und in der Praxis anzuwenden.

Was bedeutet das für die Zukunft?

Die Entdeckung der Quanten-Tornados eröffnet neue Möglichkeiten, die Bewegungen von Elektronen auf eine völlig neue Weise zu verstehen und zu nutzen. Eine der vielversprechendsten Anwendungen ist die sogenannte Orbitronik – eine Technologie, die auf der Drehbewegung der Elektronen basiert. In der Elektronik, wie wir sie heute kennen, basieren die meisten Bauteile auf der Bewegung von Elektronen und ihrer Ladung. Doch was wäre, wenn die Drehbewegung dieser Elektronen, ihr sogenannter „Drehimpuls“, die Grundlage für die Informationstechnologie werden könnte? Genau darauf zielt die Forschung ab – ein völlig neuer Ansatz, der die Effizienz und Geschwindigkeit von Geräten steigern könnte.

Kurz zusammengefasst:

• Deutsche Forscher haben Quanten-Tornados im Quanten-Halbleiter TaAs nachgewiesen, bei denen Elektronen sich in einem tornadoartigen Muster bewegen.
• Diese Entdeckung bestätigt die Theorie des Dresdner Physikers Roderich Moessner und könnte neue Wege für die Nutzung des Drehimpulses von Elektronen eröffnen.
• Die Technologie könnte die Grundlage für effizientere und schnellere elektronische Bauteile der nächsten Generation, insbesondere in der Orbitronik, schaffen.

Übrigens: Während Quanten-Tornados die elektronische Effizienz revolutionieren könnten, gehen Oxford-Forscher einen Schritt weiter und haben zwei Quantencomputer über Quantenteleportation vernetzt. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © DALL-E