“Willkommen Anionen!”

Physiker finden bisher beste Beweise für lang gesuchte 2D-Strukturen

Die “Quasiteilchen” trotzen den Kategorien gewöhnlicher Teilchen und öffnen einen möglichen Weg zum Bau von Quantencomputern an, schreibt Davide Castelvecchi am 02,07.2020 in Nature. Physiker haben berichtet, was der erste unumstößliche Beweis für die Existenz von ungewöhnlichen teilchenähnlichen Objekten namens Anionen sein könnte, die vor mehr als 40 Jahren erstmals angedacht wurden.

Anionen sind das jüngste Mitglied einer wachsenden Familie von Phänomenen, die als Quasiteilchen bezeichnet werden, bei denen es sich nicht um Elementarteilchen, sondern um kollektive Anregungen vieler Elektronen in Festkörpern handelt. Ihre Entdeckung, die mit Hilfe eines elektronischen 2D-Geräts gemacht wurde, könnte die ersten Schritte dazu darstellen, Anionen zur Grundlage künftiger Quantencomputer zu machen.

“Das sieht wirklich nach einer sehr großen Sache aus”, sagt Steve Simon, theoretischer Physiker an der Universität Oxford, Großbritannien. Die Ergebnisse, die noch nicht begutachtet wurden, wurden letzte Woche im arXiv Preprint Repository veröffentlicht.

Bekannte Quasiteilchen zeigen eine Reihe von exotischen Verhaltensweisen. Zum Beispiel haben magnetische Monopol-Quasiteilchen nur einen Magnetpol – im Gegensatz zu allen gewöhnlichen Magneten, die immer einen Nord- und einen Südpol haben. Ein weiteres Beispiel sind die Majorana-Quasiteilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind.

Anionen sind noch merkwürdiger. Alle Elementarteilchen fallen in eine von zwei möglichen Kategorien: Fermionen und Bosonen. Anionen sind keines von beiden. Die bestimmende Eigenschaft der Fermionen (zu denen auch Elektronen gehören) ist die Fermi-Statistik: Wenn zwei identische Fermionen ihre räumliche Position wechseln, wird ihre quantenmechanische Welle – die Wellenfunktion – um 180º gedreht. Wenn Bosonen ihre Plätze tauschen, ändert sich ihre Welle nicht. Das Vertauschen zweier Anionen sollte eine Drehung um einen Zwischenwinkel bewirken, ein Effekt, der als gebrochene Statistik bezeichnet wird und der nicht im 3D-Raum auftreten kann, sondern nur als kollektive Zustände von Elektronen, die sich nur in zwei Dimensionen bewegen können.

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