Unerwarteti topologische Semimetall-Phase bei Quantenkritikalität in CeRu4Sn6

Entdeckig: topologische Semimetall-Phase in CeRu₄Sn₆

In einem Material, in dem Physikerinnen und Physiker einen bestimmten Quantenzustand bislang für ausgeschlossen hielten, ist nun genau so ein Zustand nachgewiesen worden. Das zwingt dazu, die Bedingungen neu zu überdenken, welche das Verhalten von Elektronen in bestimmten Festkörpern bestimmen.

Die Entdeckung stammt von einem internationalen Forschungsteam und könnte künftige Fortschritte beim Quantencomputing unterstützen, die Effizienz elektronischer Bauteile erhöhen sowie Sensorik- und Bildgebungstechnologien verbessern.

Konkret handelt es sich um einen Zustand, der als topologische Semimetall-Phase beschrieben wird. Theoretische Arbeiten sagten voraus, dass er bei tiefen Temperaturen in einem Material aus Cer, Ruthenium und Zinn auftreten sollte (CeRu₄Sn₆) – und Experimente bestätigten anschliessend seine Existenz.

Quantenkritikalität und Topologie im gliche Material

Wird CeRu₄Sn₆ extrem stark abgekühlt, erreicht es Quantenkritikalität: einen Punkt, an dem ein Material gewissermassen zwischen möglichen Phasenwechseln balanciert. Unter so kalten Bedingungen dominieren Quantenfluktuationen; anschaulich verhält sich das System dann eher wie ein «Pfütze» aus Wellen als wie ein «Nebel» aus Teilchen.

Die überraschende Wendung dieser Studie ist, dass Quantenkritikalität Zustände hervorbringen kann, die man üblicherweise über Wechselwirkungen zwischen Teilchen definiert – etwa über das Verhalten von Elektronen als diskrete Ladungsträger.

„Das ist ein grundlegender Schritt nach vorn“, sagt der Physiker Qimiao Si von der Rice University in den USA.

„Unsere Arbeit zeigt, dass sich starke Quanteneffekte zu etwas völlig Neuem verbinden können, was die Zukunft der Quantenwissenschaft mitprägen dürfte.“

In der Physik bezeichnet Topologie die Geometrie von Materialstrukturen. Bestimmte topologische Zustände können Eigenschaften von Teilchen schützen – im Gegensatz zu Situationen, in denen benachbarte Teilchen einander anstossen und so das Verhalten gegenseitig stören.

Normalerweise versteht man topologische Zustände, indem man Materialeigenschaften zu teilchenartigen «Karten» zusammensetzt. Genau das gilt jedoch unter Quantenkritikalität eigentlich als schwierig, weil das Material dann nicht so beschrieben werden soll.

Quantenkritikalität und Topologie sind jeweils aus unterschiedlichen Gründen interessant. Treten beide gemeinsam auf, könnte daraus eine neue Materialklasse entstehen: mit hoher Empfindlichkeit in den Quantenantworten und zugleich verlässlicher Stabilität.

Messig mit em Hall-Effekt und d'Folge

Als die Forschenden CeRu₄Sn₆ bis nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlten und eine elektrische Ladung anlegten, registrierten sie bei den stromtragenden Elektronen einen Effekt, der als Hall-Effekt bekannt ist. Vereinfacht gesagt bog der Strom seitlich ab.

Für das Team war das ein eindeutiges Anzeichen topologischer Einflüsse. Denn der Hall-Effekt braucht normalerweise ein Magnetfeld, um Elektronen abzulenken – hier war jedoch kein Magnetfeld vorhanden. Stattdessen wurde die Bahn des Stroms durch etwas bestimmt, das im Material selbst verankert ist.

„Das war die entscheidende Einsicht, die es uns erlaubte, zweifelsfrei zu zeigen, dass die vorherrschende Sichtweise überarbeitet werden muss“, sagt die Physikerin Silke Bühler-Paschen von der Technischen Universität Wien.

Zudem stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fest: Dort, wo das Material in Bezug auf seine Elektronenmuster am instabilsten war, zeigte sich der topologische Effekt am stärksten. Die quantenkritischen Fluktuationen stabilisierten die neu entdeckte Phase also tatsächlich.

Trotzdem bleibt viel offen. Als Nächstes will das Team prüfen, ob sich dieser Quantenzustand auch in anderen Materialien finden lässt, um zu klären, wie allgemein das Phänomen ist.

Ausserdem möchten die Forschenden die hier beobachtete Topologie genauer untersuchen – ebenso wie die präzisen Bedingungen, unter denen sie überhaupt möglich wird.

„Die Ergebnisse schliessen eine Lücke in der Festkörperphysik, indem sie zeigen, dass starke Elektronenwechselwirkungen topologische Zustände entstehen lassen können, statt sie zu zerstören“, sagt Si.

„Ausserdem legen sie einen neuen Quantenzustand offen, der eine erhebliche praktische Bedeutung hat.“

„Zu wissen, wonach man suchen muss, erlaubt es uns, dieses Phänomen systematischer zu erforschen“, ergänzt er.

„Das ist nicht nur eine theoretische Einsicht, sondern ein Schritt hin zur Entwicklung realer Technologien, die die tiefsten Prinzipien der Quantenphysik nutzen.“

Die Studie ist in Nature Physics erschienen.