Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Maximilian Ünzelmann vom Exzellenzcluster ct.qmat an den Universitäten Würzburg und Dresden hat bahnbrechende Entdeckungen im Bereich der Quantenmaterialien gemacht. Sie konnten nun erstmals experimentell nachweisen, dass Elektronen in einem Halbmetall wie Tantal-Arsenid (TaAs) nicht nur im Ortsraum Wirbelstrukturen bilden, sondern auch im Impulsraum. Diese Entdeckung könnte die Grundlage für eine neue Ära der Quantentechnologie bilden.

Der Impulsraum, ein komplexes physikalisches Konzept zur Beschreibung der Bewegung von Teilchen basierend auf Energie und Bewegungsrichtung, war bisher ein wenig erforschtes Terrain. Physiker wissen seit langem, dass klassische Wirbel wie Wasserwirbel in unserem Alltag existieren, doch die Entdeckung von Elektronenwirbeln stellt einen Wendepunkt dar.

Bereits 2017 stellte der renommierte Festkörperphysiker Roderich Moessner die Theorie auf, dass solche wirbelartigen Strukturen auch im Impulsraum existieren können, und verglich sie mit den faszinierenden Mustern von Rauchringen. Nun, fast ein Jahrzehnt später, hat das Würzburg-Dresdner Team diesen theoretischen Ansatz durch innovative Experimente bestätigt.

Die verwendete Methode, die als winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) bekannt ist, ermöglicht es Wissenschaftlern, die Struktur von Materialien auf eine nie dagewesene Weise zu beleuchten. Durch das Bestrahlen von Materialproben mit Licht können Elektronen freigesetzt und deren Energie sowie Austrittswinkel präzise gemessen werden. Dies gibt den Forschern einen tiefen Einblick in die elektronische Struktur im Impulsraum des Materials.

Zusätzlich nutzte das Team eine spezielle Form der Tomografie, um die Proben schichtweise zu untersuchen, vergleichbar mit medizinischen Bildgebungstechniken. Die gesammelten Daten ermöglichten es, ein dreidimensionales Bild der orbitalen Bahndrehimpulse der Elektronen zu erstellen und zu verifizieren, dass sie tatsächlich Wirbel im Impulsraum bilden.

Diese Entdeckung hat nicht nur die Theorien von Moessner untermauert, sondern legt auch den Grundstein für zukünftige Entwicklungen in der Orbitronik. In diesem innovativen Bereich wird der Bahndrehimpuls anstelle der elektrischen Ladung zur Informationsübertragung in elektronischen Bauteilen genutzt. Die potenziellen Vorteile sind enorm: Geringere Energieverluste und schnellere Datenübertragungen könnten die Effizienz moderner Technologien revolutionieren.

Das Exzellenzcluster ct.qmat, das seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden getragen wird, beschäftigt sich mit den komplexen Eigenschaften von topologischen Quantenmaterialien. Hier forschen über 300 Wissenschaftler in einem internationalen Netzwerk, um einzigartige Phänomene unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen oder starken Magnetfeldern zu verstehen.

Die internationalen Kooperationen, die diesem Forschungserfolg zugrunde liegen, sind ebenfalls bemerkenswert. So trugen amerikanische Wissenschaftler zur Züchtung des Halbmetalls Tantal-Arsenid bei, während die experimentellen Untersuchungen an der hochmodernen Großforschungseinrichtung PETRA III in Hamburg stattfanden. Zudem war ein Forscher aus China an der theoretischen Modellentwicklung beteiligt und ein norwegischer Wissenschaftler übernahm die Führungsrolle im Experiment.

Diese Entdeckung könnte den Anfang einer aufregenden neuen Ära in der Quantenphysik markieren. Forscher sind optimistisch, dass die Erkenntnisse zur Entwicklung fortschrittlicher Technologien führen werden, die das Potenzial haben, unsere digitale Zukunft grundlegend zu verändern.