Quantendurchbruch schockiert Forscher indem er physikalische Gesetze bricht

Einst glaubten Menschen, die Erde sei flach, später, sie stehe im Zentrum der gesamten Schöpfung.

Beide Vorstellungen wichen schließlich tieferem Wissen und erinnern uns daran, dass selbst unsere sichersten Annahmen umgestoßen werden können.

Eine neue Studie von Physikern aus den Vereinigten Staaten und Japan deutet nun darauf hin, dass wir vor einem weiteren Moment wissenschaftlicher Neuorientierung stehen – diesmal auf der Quantenebene.

Unerwartetes Verhalten

Forscher der University of Michigan berichten, dass sie Quantenoszillationen in einem Material beobachtet haben, das laut langjähriger Theorie ein Isolator sein sollte.

Die Arbeiten, unterstützt von der US National Science Foundation und dem Energieministerium, zeigen, dass diese Oszillationen aus dem Inneren des Materials stammen und nicht von dessen Oberfläche.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Physical Review Letters, stellen die Annahme infrage, dass nur Metalle oder besondere Oberflächenzustände solche Effekte zeigen können.

Lu Li, der leitende Projektforscher, räumte die ungewöhnliche Natur der Entdeckung ein. Er sagte, der Befund deute nicht unmittelbar auf eine technologische Revolution hin, eröffne jedoch ein Phänomen, das bisher wissenschaftlich nicht erklärt werden kann.

Dem Rätsel auf der Spur

Quantenoszillationen in Metallen entstehen, weil Elektronen unter einem Magnetfeld wie winzige vibrierende Federn reagieren.

Für Isolatoren, die weder Strom noch Wärme leiten sollen, sollte dieser Effekt unmöglich sein.

Doch in den vergangenen Jahren haben Experimente wiederholt solche Oszillationen in bestimmten exotischen Isolatoren gezeigt und eine Debatte darüber ausgelöst, ob diese Signale von der Oberfläche oder aus dem Inneren stammen.

Um dies zu testen, nutzte das Team die stärksten Magnete der Welt am National High Magnetic Field Laboratory.

Die Messungen zeigten, dass die Oszillationen tatsächlich im gesamten Material auftreten. Li sagte, der Befund hinterlasse klare Daten, aber keine sofortige Erklärung.

Globale Zusammenarbeit

An dem Projekt arbeiteten Wissenschaftler mehrerer Forschungsinstitute in den USA und Japan.

Forscher Kuan-Wen Chen sagte, die Gruppe habe herausfinden wollen, ob die Oszillationen intrinsisch seien oder durch äußere Einflüsse entstehen. Die Daten bestätigten, dass sie natürlich aus dem Material selbst stammen.

Die untersuchte Verbindung, Ytterbiumborid (YbB12), wurde Magnetfeldern von bis zu 35 Tesla ausgesetzt – weit jenseits dessen, was übliche Labore erreichen.

Eine neue Form der Dualität

Li bezeichnete die Arbeit als Teil einer „neuen Dualität“ in der Physik, bei der bestimmte Materialien je nach Umgebung sowohl wie Isolatoren als auch wie Metalle erscheinen.

Diese Idee erinnert an einen früheren wissenschaftlichen Wandel, als Materie sich als sowohl Welle als auch Teilchen erwies.

Hier scheint das Material unter normalen Bedingungen isolierend zu sein, wird jedoch unter extremen Magnetfeldern metallähnlich.

Doktorand Yuan Zhu sagte, der nächste Schritt bestehe darin, die neutralen Teilchen zu identifizieren, die die Oszillationen verursachen. Das Team hofft, dass die Ergebnisse neue experimentelle und theoretische Forschung anregen.

Quellen: University of Michigan; Physical Review Letters; Science Daily