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14.01.2026 11:10
Quantenphysik: Neuer Materiezustand entdeckt
An der TU Wien wurde bei einem Quantenmaterial ein Zustand entdeckt, den man bisher für unmöglich gehalten hatte. Topologische Zustände müssen anders betrachtet werden als man bisher dachte.
Die Quantenphysik sagt, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten und daher ihr Aufenthaltsort nicht bekannt ist. Aber in vielen Fällen funktioniert es trotzdem sehr gut, sich Teilchen ganz klassisch vorzustellen – wie kleine Kügelchen, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit von Ort zu Ort bewegen. Wenn man etwa physikalisch beschreibt, wie elektrischer Strom durch Metalle fließt, dann stellt man sich Elektronen vor, die durchs Metall rasen und von elektromagnetischen Feldern beschleunigt oder abgelenkt werden.
Auch hinter moderneren Ansätzen steckt diese Vorstellung vom Teilchenbild – etwa hinter dem Konzept „topologischer Zustände“, für deren Entdeckung 2016 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde. Allerdings gibt es auch Materialien, in denen das Teilchenbild völlig zusammenbricht (siehe Publikation unten). Es ergibt dann keinen Sinn mehr, sich die Elektronen als kleine Teilchen vorzustellen, die einen definierten Aufenthaltsort oder eine eindeutige Geschwindigkeit haben.
Nun konnte ein Forschungsteam der TU Wien beweisen: Solche Materialien können topologische Eigenschaften haben, obwohl diese bisher immer mit teilchenartigem Verhalten erklärt wurden. Das zeigt: Topologische Zustände sind allgemeiner als bisher gedacht. Zwei scheinbar widersprüchliche Konzepte fügen sich ineinander.
Wenn das Teilchenbild keinen Sinn mehr ergibt
„Das klassische Bild von Elektronen als kleine Teilchen, die gestreut werden, wenn sie als Strom durch ein Material fließen, ist erstaunlich robust“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Es funktioniert, mit gewissen Verfeinerungen, selbst in komplexen Materialien, in denen die Elektronen stark miteinander wechselwirken.“
Allerdings gibt es auch Situationen, wo es komplett zusammenzubrechen scheint und die Ladungsträger ihren Teilchencharakter verlieren. Das scheint auch in dem Material aus Cer, Ruthenium und Zinn (CeRu4Sn6), das nun an der TU Wien bei sehr tiefen Temperaturen untersucht wurde, zu passieren: „Es zeigt nahe am absoluten Nullpunkt eine bestimmte Art von quantenkritischem Verhalten“, sagt Diana Kirschbaum, die Erstautorin der aktuellen Publikation. „Das Material fluktuiert dann zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen hin und her, als könnte es sich nicht entscheiden, in welchem Zustand es sich befinden möchte. In diesem fluktuierenden Zustand wird das Quasi-Teilchenbild in Frage gestellt.“
Topologie: Brötchen und Donuts
Unabhängig von dieser Entdeckung wurde das Material auch theoretisch untersucht und man kam zum Schluss, dass es topologische Zustände enthalten sollte. „Der Begriff Topologie kommt aus der Mathematik, wo er zur Unterscheidung bestimmter geometrischer Strukturen verwendet wird“, erklärt Silke Bühler-Paschen. „So ist etwa ein Apfel topologisch dasselbe wie ein Brötchen, weil man das Brötchen kontinuierlich verformen kann, bis es eine Apfel-Form annimmt. Das Brötchen ist topologisch aber etwas anderes als ein Donut – der hat ein Loch, das nicht durch kontinuierliche Verformung erzeugt werden kann.“
Auf ähnliche Weise kann man Materiezustände beschreiben: So können etwa Geschwindigkeiten, Energien und sogar die Spinrichtung relativ zur Bewegungsrichtung bestimmten geometrischen Gesetzen folgen. Das ist besonders spannend, weil topologische Eigenschaften sehr stabil sind. Durch kleine Störungen wie etwa Defekte im Material werden die topologischen Eigenschaften nicht verändert – so wie man auch einen Donut durch kleine Stauchungen nicht in eine Apfel-Form bringen kann. Daher sind sie von großem Interesse für das Speichern von Quantenzuständen, bei neuartigen Sensoren oder auch beim Umlenken von Strömen ganz ohne Magnetfelder.
So abstrakt und fremdartig es auch erscheinen mag, das Verhalten von Teilchen mit Methoden der Topologie zu beschreiben: Hinter dieser Beschreibung steckt indirekt immer noch das alte, klassische Teilchenbild: „Man geht in dieser Theorie davon aus, dass man etwas beschreibt, das wohldefinierte Geschwindigkeiten und Energien hat“, erklärt Diana Kirschbaum. „Aber solche wohldefinierten Geschwindigkeiten und Energien sollte es in unserem Material ja gar nicht geben, da dieses Material eine Form von quantenkritischem Verhalten zeigt, die mit einem Teilchenbild nicht vereinbar scheint. Trotzdem war für dieses Material mit einfachen theoretischen Methoden, die diese Nichtteilcheneigenschaften ignorieren, vorhergesagt worden, dass es topologische Eigenschaften zeigt.“
Neugier lohnt sich
Hier gab es also einen klaren Widerspruch. Daher zögerte das Team von Bühler-Paschen zunächst auch, die theoretische Vorhersage zur Topologie ernst zu nehmen und ihr auf den Grund zu gehen. Schließlich aber überwog die Neugier, ob es nicht doch möglich sein könnte und so machte sich Diana Kirschbaum auf die Suche nach Hinweisen auf die topologischen Zustände.
Und tatsächlich entdeckte sie bei sehr tiefen Temperaturen, bei weniger als einem Grad über dem absoluten Nullpunkt, ein Verhalten, das ein klarer Hinweis auf topologische Zustände ist: einen spontanen Halleffekt. Beim Halleffekt werden Teilchen normalerweise in einem Magnetfeld abgelenkt. Die Ablenkung kann aber auch durch topologische Effekte ausgelöst werden, ganz ohne Magnetfeld von außen. Besonders erstaunlich: die Ladungsträger werden abgelenkt, als ob sie Teilchen wären, obwohl man ja davon ausgeht, dass das Teilchenbild in diesem Material gar nicht funktioniert. „Diese Erkenntnis hat uns gezeigt, dass die bisherige Sicht korrigiert werden muss“, sagt Silke Bühler-Paschen.
„Und nicht nur das“, erklärt Diana Kirschbaum. „Der topologische Effekt ist sogar dort am stärksten, wo das Material die größten Fluktuationen zeigt. Werden diese durch Druck oder Magnetfelder unterdrückt, so verschwinden die topologischen Eigenschaften.“
Topologische Zustände sind allgemeiner als bisher gedacht
„Das war eine Riesenüberraschung“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Und es zeigt uns, dass topologische Zustände viel allgemeiner betrachtet werden müssen als bisher gedacht.“ Das Team bezeichnet den neuentdeckten Zustand als „emergentes topologisches Halbmetall“ und arbeitete mit der Rice University in Texas zusammen, wo es Lei Chen (Co-Erstautor der Publikation) im Team von Prof. Qimiao Si gelang, ein neues theoretisches Modell zu entwickeln, das die Phänomene Quantenkritikalität und Topologie verbindet.
„Tatsächlich zeigt sich, dass ein Teilchenbild nicht notwendig ist, um topologische Eigenschaften hervorzubringen“, sagt Bühler-Paschen. „Man kann das Konzept verallgemeinern – die topologischen Unterschiede treten dann auf abstraktere, mathematische Weise auf. Und noch mehr: Unsere Experimente deuten sogar darauf hin, dass topologische Eigenschaften durch das Fehlen von teilchenartigen Zuständen entstehen können.“
Die Entdeckung hat wichtige praktische Bedeutung – sie zeigt eine neue Marschroute für die Suche nach neuen topologischen Materialien auf: „Wir wissen nun, dass es sich auch oder sogar ganz besonders bei quantenkritischen Materialien lohnt, nach topologischen Eigenschaften zu suchen“, freut sich Bühler-Paschen. „Weil quantenkritisches Verhalten in vielen Materialklassen auftritt und gut identifiziert werden kann, dürften sich viele neue „emergente“ topologische Materialien über diesen Zusammenhang finden lassen.“
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Silke Bühler-Paschen
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13716
silke.buehler-paschen@tuwien.ac.at
Originalpublikation:
D.M. Kirschbaum et al., Emergent topological semimetal from quantum criticality, Nature Physics (2026).
https://www.nature.com/articles/s41567-025-03135-w
Weitere Informationen:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100 Wichtige Vorarbeit dazu
https://www.tuwien.at/phy/news/seltsam-leiser-strom-in-seltsamem-metall Pressetext zur vorangegangenen Arbeit
Bilder
Silke Bühler-Paschen (links), Diego Zocco und Diana Kirschbaum
Quelle: TU Wien
Copyright: TU Wien
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
