Exotische Physik Zum Ersten Mal In Lab Crystal

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Forscher erzeugen einen bizarren Effekt, von dem angenommen wurde, dass er nur in intensiven Gravitationsfeldern auftritt.

Ein exotischer Effekt in der Teilchenphysik, von dem angenommen wird, dass er in riesigen Gravitationsfeldern - in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder unter Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall - in einem Materialklumpen in einem Labor auftritt, berichten Physiker.

Ein Team unter der Leitung des Physikers Johannes Gooth von IBM Research in der Nähe von Zürich, Schweiz, gab Hinweise auf einen lange vorhergesagten Effekt, der als Axial-Gravitations-Anomalie bezeichnet wird. Es besagt, dass riesige Gravitationsfelder - die die allgemeine Relativitätstheorie als Ergebnis enormer Massen beschreibt, die sich in Raum-Zeit krümmen - die Symmetrie bestimmter Arten von Partikeln zerstören sollten, die normalerweise in Spiegelbildpaaren auftreten und mehr von einem Partikel und weniger von einem anderen erzeugen.

Die Bedingungen, die erforderlich sind, um diesen ungewöhnlichen Zusammenbruch eines grundlegenden „Erhaltungsgesetzes“zu beweisen, können nicht in einem Labor geschaffen werden. Die Forscher nutzten jedoch eine besondere Parallele zwischen Schwerkraft und Temperatur, um ein Laboranalogon der Anomalie in Niobphosphidkristallen zu erstellen. "Diese Anomalie ist so schwer zu messen, dass selbst indirekte Beweise einen großen Durchbruch darstellen", sagt Teammitglied Adolfo Grushin von der University of California in Berkeley.

Im Inneren des Kristalls ist der Effekt so, als würde eine Schublade mit Handschuhen plötzlich einen Überschuss an rechtshändigen Handschuhen erwerben, weil einige der linkshändigen Handschuhe gewechselt hatten. Das in Nature veröffentlichte Ergebnis bestätigt die aufkommende Ansicht, dass Quantenmaterialien - Kristalle, deren Eigenschaften von quantenmechanischen Effekten dominiert werden - als experimentelle Prüfstände für physikalische Effekte dienen können, die sonst nur unter exotischen Umständen zu sehen wären.

Quasiteilchen und Quantenmaterialien

Die von der Anomalie betroffenen Teilchen sind als Weyl-Fermionen bekannt, die in den 1920er Jahren vom Mathematiker Hermann Weyl vorgeschlagen wurden. Diese Teilchen unterscheiden sich von anderen Arten von Fermionen (wie dem Elektron), weil sie keine Masse zu haben scheinen und weil sie auch eine Art Händigkeit oder Chiralität haben.

Weyl-Fermionen wurden nie als einzelne physikalische Einheiten angesehen - obwohl angenommen wird, dass sie flüchtig am Zerfall anderer Arten von Partikeln beteiligt sind. In einigen Kristallen wurden sie jedoch als „Quasiteilchen“entdeckt. In diesen Materialien bewirken quantenmechanische Effekte, dass sich die Elektronen eines Materials so zusammen bewegen, dass ihr kollektives Verhalten dem von Weyl-Fermionen ähnelt. Die chiralen Weyl-Fermionen werden im Allgemeinen wie Spiegelbildpaare in gleicher Anzahl hergestellt.

Im Jahr 2015 zeigten Forscher, dass starke magnetische und elektrische Felder diese Symmetrie innerhalb eines als Dirac-Halbmetall bekannten Quantenmaterials aufheben können, was einen lange vorhergesagten Effekt in der Hochenergiephysik bestätigt, der als axiale (oder chirale) Anomalie bezeichnet wird.

Jetzt hat Gooths Team bestätigt, dass die Schwerkraft - oder Raum-Zeit-Krümmung - auch die Symmetrie zerstören kann. Dazu stützten sie sich auf einen Zusammenhang zwischen Gravitations- und Temperatureffekten, der besagt, dass der Effekt der Raum-Zeit-Krümmung auf Weyl-Fermionen mathematisch dem Effekt eines Temperaturgradienten entspricht. Mit anderen Worten, die Anomalie sollte auch auftreten, wenn ein Teil eines Materials, in dem Weyl-Fermionen vorkommen, heißer als ein anderer ist.

Der Grund “wurzelt in Einsteins berühmter Gleichung E = mc ²”, Erklärt Gooth. "In der relativistischen Quantenfeldtheorie werden Energie- und Massenströme gleich", sagt er. „Der Massenfluss wird durch Gravitationsfeldgradienten und der Energiefluss durch Temperaturgradienten angetrieben. Der Temperaturgradient für die relativistischen Weyl-Fermionen ahmt somit einen Gravitationsfeldgradienten nach. “

Die Forscher haben die Leitfähigkeit ihres kristallinen Niobphosphids - das als Weyl-Halbmetall bekannt ist - in einem mikroelektronischen Schaltkreis gemessen. Wenn sie einen Wärmegradienten und ein Magnetfeld anlegten, sahen sie einen induzierten elektrischen Strom, der durch ein Ungleichgewicht in den beiden Arten von Weyl-Fermionen erzeugt wurde: Die Anzahl der linkshändigen Quasiteilchen, die sich in einer Richtung durch die Probe bewegten, war nicht dieselbe wie die Anzahl von Rechtshändern, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Darüber hinaus ist „das Verhalten des Stroms beim Ändern des Magnetfelds genau das, was die Theorie der Axial-Gravitations-Anomalie vorhersagt“, sagt Grushin.

Überzeugende Beweise

Nicht jeder ist überzeugt, dass die Forscher beobachtet haben, was sie behaupten. Boris Spivak, Physiker an der University of Washington in Seattle, besteht darauf, dass die Axial-Gravitations-Anomalie in Weyl-Halbmetallen einfach nicht existiert. Ein Temperaturgradient, sagt er, kann keine Elektronen dazu bringen, sich zwischen den beiden Quasiteilchen unterschiedlicher Händigkeit umzuwandeln. "Es gibt viele andere Mechanismen, die ihre Daten erklären können", sagt Spivak. Er glaubt, dass die Forscher nur den Einfluss eines Magnetfelds auf den bekannten thermoelektrischen Effekt messen, bei dem elektrische Ströme durch Temperaturgradienten erzeugt werden.

Aber Gooth und seine Kollegen sind sich nicht einig. Sie sagen, dass die Existenz der temperaturinduzierten chiralen Anomalie stark von der Theorie gestützt wird. Und Subir Sachdev, Spezialist für Quanteneffekte in Festkörpermaterialien an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, sagt, die Forscher hätten "überzeugende Beweise für die physikalischen Folgen der Axial-Gravitations-Anomalie".

Die Existenz der Anomalie sei nicht wirklich zweifelhaft, fügt Sachdev hinzu, aber „es ist schön zu sehen, dass sie in realen Materialien erscheint“. Er sagt, es bestätigt, dass die Schwerkraft mit Quantenfeldern auf die Weise interagiert, wie es Einsteins Relativitätstheorien zeigen.

Grushin vermutet, dass das Verständnis, wie sich diese Anomalie in diesen Materialien manifestiert, zu neuer Physik führen sollte. IBM hofft auch, dass der Befund in der Elektronik genutzt werden kann, da er im Niobphosphidkristall elektrischen Strom erzeugt. Geräte, die die Anomalie aufdecken, könnten die Effizienz von Materialien verbessern, die aus Temperaturgradienten elektrische Energie erzeugen können, sagt Gooth.