Schwerkraft-Anomalie im Kristall

Spannender Durchbruch: Physiker haben erstmals eine schwerkraftbedingte Quanten-Anomalie im Labor erzeugt, die bisher als unmöglich nachzuweisen galt. Denn sie tritt sonst unter der extremen Schwerkraft von Neutronensternen, Schwarzen Löchern oder kurz nach dem Urknall auf. Doch in einem exotischen Kristall gelang es den Forschern, diese axial-gravitationale Quanten-Anomalie nun zu beobachten, wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Der gängigen Theorie nach könnte unter extremen Bedingungen im Kosmos eine Quanten-Anomalie auftreten: In den extremen Gravitationsfeldern von Neutronensternen, Schwarzen Löchern oder im Quark-Gluon-Plasma kurz nach dem Urknall wird demnach eine grundlegende Symmetrie durchbrochen. Bei normalerweise spiegelsymmetrischen Paaren Teilchenpaaren soll dadurch eines der Teilchen nun häufiger vorkommen oder mehr Energie und Impuls besitzen als sein Partner.

Auf der Erde nicht messbar?

Allerdings: Weil diese sogenannte axial-gravitationale Quanten-Anomalie nur unter diesen Extrem-Bedingungen vorkommt, hielt man sie bisher für experimentell nicht beweisbar. Denn kein Labor der Welt kann die enorme Schwerkraft in einem Neutronenstern nachbilden. „Diese Anomalie ist so schwer zu messen, dass selbst indirekte Belege schon ein großer Durchbruch sind“, erklärt Koautor Adolfo Grushin von der University of California in Berkeley.

Genau dies könnte ihm und seinen Kollegen nun gelungen sein. Sie haben herausgefunden, dass Temperaturgradienten in exotischen Kristallen den Effekt der starken Schwerkraftfelder imitieren können. „Dies basiert auf Einsteins berühmter Formel E=mc²„, erklärt Erstautor Johannes Gooth vom IBM Forschungszentrum in Zürich. „In der relativistischen Quantenfeldtheorie werden Energie und Massenflüsse das Gleiche.“

Exotische Paare aus Quasiteilchen: Weyl-Fermionen in einem Kristall. © Su-Yang Xu, M. Zahid Hasan, Princeton University/ CC-by-sa 4.0

Quasiteilchen im exotischen Kristall

Für ihr Experiment nutzten die Forscher ein sogenanntes Weyl-Halbmetall – einen Kristall aus Niob und Phosphor, in dem sich unter bestimmten Bedingungen Paare aus Weyl-Fermionen bilden. Diese durch das Verhalten der Elektronen erzeugten Quasiteilchen unterscheiden sich von normalen Elektronen darin, dass sie keine Masse zu besitzen scheinen und immer nur in Paaren mit entgegengesetztem Spin vorkommen.

Das Weyl-Halbmetall setzten die Forscher in einen elektronischen Messschaltkreis ein, legten ein Magnetfeld an und erzeugten dann einen Temperaturgradienten im Kristall. Dieser ahmt nach gängiger Auffassung die Krümmung der Raumzeit nach, die sonst nur unter extremer Schwerkraft auftritt.

Bruch der Paar-Symmetrie

Sobald dies geschah, trat ein Stromfluss auf, der mit ansteigendem Magnetfeld weiter zunahm. Dies dürfte jedoch nicht geschehen, wenn die Symmetrie der Weyl-Fermionen erhalten bliebe. Denn Energie und Impuls der beiden Partner ist gleich, nur ihr Spin unterscheidet sich, wie die Wissenschaftler erklären.

Erklärbar ist dieser Effekt nach Ansicht der Forscher nur durch eine Quanten-Anomalie: Im Kristall müssen sich linksdrehende Teilchen anders verhalten als rechtsdrehende, beispielsweise indem einer der Partner ein wenig mehr Energie oder Impuls bekommt. Dieser Symmetriebruch entspricht damit dem Verhalten, wie es auch für Teilchen unter extremen Gravitationsfeldern vorhergesagt wird, so Gooth und seine Kollegen.

Schwerkraft-Quanten-Anomalie im Diagramm erklärt © IBM Research

„Eine unglaublich spannende Entdeckung“

„Diese Beobachtung ist konsistent mit der Präsenz einer axial-gravitationalen Quanten-Anomalie“, konstatieren die Physiker. „Sie liefert damit einen klaren Beweis für ein theoretisches Konzept, das sich bisher jedem experimentellen Nachweis entzogen hat.“ Sollte sich dies bestätigen, hätten die Forscher erstmals bewiesen, dass diese Schwerkraft-Quanten-Anomalie auch auf der Erde in der Festkörperphysik existiert und nachweisbar ist.

„Dies ist eine unglaublich spannende Entdeckung“, sagt Koautor Karl Landsteiner von der Autonomen Universität Madrid. „Die Schlussfolgerung ist klar: Der gleiche Symmetriebruch kann in jedem physikalischen System beobachtet werden, egal ob es vom Beginn des Universums stammt oder sich hier auf der Erde befindet.“

Gooth fügt hinzu: „Der erstmalige experimentelle Nachweis dieser Quanten-Anomalie auf der Erde ist sehr wichtig für unser Verständnis vom Universum. Mit den neuen Erkenntnissen können wir aber auch völlig neuartige Festkörper-Schaltelemente entwickeln, die man vorher nie in Betracht gezogen hätte. Damit bieten sich uns ungeahnte Möglichkeiten, die Grenzen von klassischen elektrischen Schaltern zu umgehen.“ (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature23005)

(IBM Research, Nature, Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, 21.07.2017 – NPO)