Physiker Krishnanand Mallayya und sein Team an der Cornell University haben einen bemerkenswerten Fortschritt erzielt, indem sie die Existenz der Bragg-Glas-Phase bewiesen haben, ein Zustand der Materie, der bislang nur in der Theorie existierte. Dieser Zustand verhält sich in bestimmten leitfähigen Materialien wie ein Zaubertrick, da sie die Fähigkeit besitzen, Strom ohne jeglichen Energieverlust zu übertragen. Selbst unter dem Einfluss eines Magneten bewahren diese Materialien ihre außergewöhnlichen Eigenschaften, indem sie magnetische Energie in einer sehr geordneten und präzisen Weise absorbieren. Dieser Durchbruch könnte einen bedeutenden Wendepunkt in der Physik darstellen.
Physik: Bragg-Glas-Phase nachgewiesen
Die Forschenden identifizierten die Phase in einer Legierung aus Palladium, Terbium und Tellur (PdxErTe3). Ihre in Nature Physics veröffentlichte Studie zeigt eine halbgeordnete Struktur in der Bragg-Glas-Phase, gekennzeichnet durch Atome, die fast so geordnet sind wie in einem perfekten Kristall. Dennoch existieren sie in einem glasartigen Zustand.
Die Arbeit des Teams konzentrierte sich auf das Verständnis von Ladungsdichtewellen (CDWs), die die periodische Modulation der Ladungsdichte eines Materials beschreiben, in der Physik. CDWs zeigen in verschiedenen Materialphasen unterschiedliche Verhaltensweisen: Sie zeigen eine unendliche Korrelation in langreichweitig geordneten Phasen, einen endlichen Zusammenbruch in ungeordneten Zuständen und eine allmähliche Abnahme der Korrelation über eine unendliche Entfernung in der Bragg-Glas-Phase.
Um diese Phase nachzuweisen, setzte das Team PdxErTe3 ein, ein Material, das man zuvor aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften untersuchte. Sie unterzogen das Material einer Röntgenbestrahlung am Argonne National Laboratory, um zu messen, wie das Licht von dem Inneren des Materials abgelenkt wurde. Dieser Prozess war entscheidend für die Analyse der atomaren Struktur des Materials und das Verständnis der Anordnung seiner Atome.
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Forscher nutzten modernste Methoden
„Die Herausforderung besteht darin, diese Unterscheidungen anhand von experimentellen Daten zu erkennen, die auch reale Probleme wie Rauschen und die begrenzte Auflösung des Versuchsaufbaus widerspiegeln“, erklärte Eun-Ah Kim, Professorin für Physik (A&S) und Mitautorin der neuen Studie.
Ein bedeutendes Werkzeug in ihrer Forschung war die Röntgen-Temperatur-Clusteranalyse (X-TEC), eine Methode der maschinellen Datenanalyse. X-TEC ermöglichte es den Forscher*innen, Tausende von CDW-Peaks zu analysieren. Diese Methode erwies sich als wesentlich für die Identifizierung der Bragg-Glas-Phase und demonstrierte die Kraft der Kombination von Physik mit fortgeschrittenen Datenanalysetechniken.
„Mithilfe von Werkzeugen des maschinellen Lernens und datenwissenschaftlichen Perspektiven können wir schwierigen Fragen nachgehen und durch eine umfassende Datenanalyse subtile Signaturen aufspüren“, so Kim. Die Analyse der Asymmetrie von CDW-Peaks war der Schlüssel zur Identifizierung der Bragg-Glas-Phase. Dieser Befund unterstützt nicht nur theoretische Modelle, sondern hebt auch die Fähigkeit von maschinellen Lernwerkzeugen hervor, komplexe Muster innerhalb von Daten zu entdecken.
Quellen: „Bragg glass signatures in PdxErTe3 with X-ray diffraction temperature clustering“ (Nature Physics, 2024); Cornell University
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