Ein internationales Forscherteam hat erstmals einen Quanteneffekt auf der Erde nachgewiesen, von dem man bisher dachte, er trete nur in Neutronensternen und schwarzen Löchern auf. Unter anderem könnte die Entdeckung helfen, die Energieumwandlung in elektronischen Bauteilen zu verbessern. Bisher konnte man die „axial-gravitationale Quanten-Anomalie“ nur theoretisch vorhersagen: Fachleute gingen davon aus, dass dieser quantenmechanische Effekt nur unter außergewöhnlichen Bedingungen auftritt, nämlich in extremen Gravitationsfeldern wie in Neutronensternen (quasi „Sternleichen“) und Schwarzen Löchern. Oder bei Trillionen Grad Celsius als Quark-Gluon-Plasma, einer außergewöhnlichen Materieform im frühen Universum.

Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des IBM Forschungszentrums in Rüschlikon im Kanton Zürich konnte nun jedoch zeigen, dass diese Anomalie auch auf der Erde in der Festkörperphysik nachweisbar ist. Davon berichten sie in der neuesten Ausgabe des Fachmagazins „Nature“. Die Forscher nutzten für ihr Experiment eine erst kürzlich entdeckte Materialklasse, sogenannte Weyl-Halbmetalle, wie IBM Research am Donnerstag in einer Mitteilung erklärte. Daran legten sie im Tieftemperaturlabor der Universität Hamburg einen Temperaturgradienten an, um ein Gravitationsfeld zu imitieren, sowie ein Magnetfeld.

Quanten-Anomalie beobachtet und bestätigt

Dabei beobachteten die Wissenschafter einen unerwartet hohen Wärmefluss in der Probe. Durch mathematische Berechnungen hat ein Physikerteam aus Spanien, den USA und Deutschland die Quanten-Anomalie bestätigt. Die Entdeckung breche klassische Erhaltungssätze, die die Grundlage aller Abläufe in unserer alltäglichen Welt sind, schrieb IBM Research. Das zeige, dass in speziellen Systemen unter bestimmten Bedingungen die Energie- und Impulserhaltungsgesetze nicht gelten.

„Der erstmalige experimentelle Nachweis dieser Quanten-Anomalie auf der Erde ist sehr wichtig für unser Verständnis vom Universum“, erklärte Studienerstautor Johannes Gooth vom IBM Forschungszentrum in Rüschlikon in der Mitteilung. „Mit den neuen Erkenntnissen können wir aber auch völlig neuartige Festkörper-Schaltelemente entwickeln, die man vorher nie in Betracht gezogen hätte.“ Das biete ungeahnte Möglichkeiten, die Grenzen von klassischen elektrischen Schaltern zu umgehen. Die Forscher hoffen, mit dem Nachweis einen wichtigen Impuls zur Entwicklung einer neuen Generation stromsparender Technologien zu geben.

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