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02.11.2018 | Naturwissenschaftliche Grundlagen | Im Fokus | Onlineartikel

Mit ultraschnellen Laserpulsen zum Weyl-Zustand

Autor:
Dieter Beste

Neue Entdeckungen im Mikrokosmos: Mit Licht lassen sich Materialien derart manipulieren, dass Forscher von magnetooptischen Hochgeschwindigkeitsschaltern für eine zukünftige Elektronik zu träumen beginnen.


Die Makrowelt ist zum Teil von ganz anderen Gesetzen und Begrifflichkeiten beherrscht als die Mikrowelt. So gelten in "unserer" Welt zum Beispiel der Entropiesatz und das Kausalitätsprinzip. Vielfach ist noch völlig unbekannt, wie die Gesetze der Makrowelt mit denen der Mikrowelt zusammenhängen. In "Welträtsel aus Sicht der modernen Wissenschaften" lotet Springer-Autor Hermann Helbig im Kapitel "Mikrokosmos und Makrokosmos als Einheit und Gegensatz" Untiefen aus: "Es sind besonders zwei Dinge, die unsere Verwunderung auslösen, wenn wir den Mikrokosmos und den Makrokosmos als Ganzes betrachten: Die vielen Größenordnungen, die insgesamt zwischen Elementarteilchen (etwa Quarks und Elektronen) und dem Umfang des Universums liegen und die der Mensch trotzdem erforschen kann.  Die unvorstellbar großen Abstände der Bestandteile eines Atoms untereinander einerseits (zumindest wenn man ein etwas vereinfachtes Atommodell zugrunde legt) und die zwischen den kosmischen Objekten andererseits" (Seite 38).

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Quantentheorie, Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie bestimmen unser Verständnis vom Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und Materie sowie von deren Struktur, konstatiert Hermann Helbig und beschreibt in allgemein verständlicher Sprache die fundamentale Rolle von Feldern und Symmetrien. Mit deren algebraischer Behandlung sind die Namen Eugene Wigner, John von Neumann und Hermann Weyl aufs Engste verknüpft (Seite 61).

Der deutsche Mathematiker Hermann Weyl (1885 - 1955) hat einmal gesagt: "In meiner Arbeit habe ich immer versucht, die Wahrheit mit dem Schönen zu verbinden, aber wenn ich zwischen Wahrheit und Schönheit zu wählen hatte, habe ich im Allgemeinen das Schöne gewählt." Springer-Autor Graham Farmelo zitiert Weyl in "Der seltsamste Mensch", einem mit dem Costa-Buchpreis ausgezeichneten Bericht über Paul Dirac (Seite 423).

Hochzeit von Topologie und Magnetismus in einem Weyl-Halbmetall

Beider Vorgehensweisen in der theoretischen Physik hätten sich geähnelt, schreibt Farmelo. Zu beider Hinterlassenschaften zählen die topologischen Weyl- und Dirac-Halbmetalle. "Topologisch" steht für eine Klassifizierung von Materialien anhand ihrer Quantenstruktur. Auf dieser Grundlage gelang es, neue physikalische Eigenschaften zu entdecken, die man bislang eher in der Astrophysik oder der Hochenergiephysik zu finden glaubte. Diese Effekte treten verstärkt in Materialien auf, die aus schweren Elementen wie Bismut oder Zinn bestehen, wo also relativistische Effekte eine Rolle spielen. Neben der traditionellen Einordnung in Isolatoren einerseits und den elektrischen Strom leitenden Metallen andererseits treten die topologischen Weyl- und Dirac-Halbmetalle. Elektrisierendes Neuland, über das Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) um Claudia Felser kürzlich in Nature Physics berichteten.

Bisher seien topologische Effekte nur in nichtmagnetischen Materialien beobachtet worden, heißt es dazu in einer Mitteilung des MPI-CPfS. Dabei könne man diese in magnetischen Materialien eigentlich häufiger erwarten als in nichtmagnetischen Materialien: "Das liegt im Zusammenspiel zwischen Symmetrie, relativistischen Effekten und der magnetischen Struktur, was prinzipiell eine breite Variation von topologischen Phasen ermöglicht." Das Dresdner Institut verfolgt das Ziel, neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu entdecken und zu verstehen.

Weyl-Fermionen im Spotlight

Jetzt konnten Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der North Carolina State University zeigen, dass der lang gesuchte semi-metallische, magnetische Weyl-Zustand mit ultraschnellen Laserpulsen in magnetischen Pyrochlor-Iridaten erzeugt werden kann. Ihre bei Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse könnten, so die Forscher, der Entwicklung von magnetooptischen topologischen Hochgeschwindigkeitsschaltern für zukünftige elektronische Anwendungen den Weg bahnen.

Alle bislang bekannten elementaren Teilchen fallen in zwei Kategorien, und zwar in Bosonen und Fermionen, wie sie beispielsweise Springer-Autor Jörg Resag in "Feynman und die Physik" ab Seite 185 charakterisiert. Bosonen vermitteln Kräfte wie Magnetismus oder die Schwerkraft, während aus Fermionen, wie zum Beispiel Elektronen, die Materie aufgebaut ist. Auf Basis der unter anderem von Weyl entwickelten mathematischen Methoden der Quantenmechanik wird vorhergesagt, dass drei Arten von Fermionen existieren können; sie werden nach den Physikern Dirac, Weyl und Majorana benannt. Im freien Raum sind Elektronen Dirac-Fermionen, aber in Festkörpern können sie ihre Eigenschaften verändern. Im atomar dünnen Kohlenstoffmaterial Graphen werden sie zu masselosen Dirac-Fermionen. In anderen kürzlich entdeckten und produzierten Materialien können sie nach Angaben des MPSD auch zu Weyl- und Majorana-Fermionen werden, weswegen diese Stoffe für zukünftige Technologien wie topologische Quantencomputer und andere innovative elektronische Geräte von Interesse seien.

In Kombination mit einer Welle von Bosonen, nämlich den Photonen im Laserlicht, können Fermionen also von einer Sorte in eine andere verwandelt werden. "Unsere Forschung, wie man mit Licht Materialien auf ultrakurzen Zeitskalen manipulieren kann, ist einen guten Schritt weitergekommen", sagt Michael Sentef vom MPSD. Und "Wir entwickeln gerade erst ein Verständnis davon, dass Licht und Materie auf viele beeindruckende Arten kombiniert werden können und dadurch fantastische Effekte erzeugt werden, von denen wir heute vielleicht noch nicht einmal träumen können", fügt Angel Rubio hinzu, Direktor der MPSD-Theorieabteilung.


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