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Theoretische Physiker erforschen das Potenzial von „Fraktonen“, stationären und unbeweglichen Quasiteilchen, die auf der Grundlage einer mathematischen Erweiterung der Quantenelektrodynamik eine sichere Informationsspeicherung ermöglichen könnten. Obwohl derzeit kein Material diese Fraktonen aufweist, zielt die laufende Forschung darauf ab, genauere Modelle unter Einbeziehung von Fluktuationsquanten zu erstellen, die Experimentalphysikern bei der Entwicklung und Messung von Materialien mit diesen Eigenschaften helfen könnten, was möglicherweise zu einem bedeutenden Quantensprung in der Zukunftstechnologie führen könnte.
Fraktonen sind aufgrund ihrer einwandfreien Immobilität potenzielle Kandidaten für die Datenspeicherung. Bisher wurde jedoch kein tatsächliches Material identifiziert, das Fraktonen aufweist. Eine Forschergruppe hat diese Quasiteilchen kürzlich genauer untersucht und dabei ein überraschendes Verhalten festgestellt.
Quasiteilchen, etwa Anregungen in Festkörpern, lassen sich mathematisch darstellen; Ein Beispiel sind Phononen, die eine hervorragende Darstellung von Gitterschwingungen sind, die sich mit steigender Temperatur verstärken.
Mathematisch lassen sich auch Quasiteilchen ausdrücken, die bisher in keinem Material beobachtet wurden. Diese „theoretischen“ Quasiteilchen könnten einzigartige Eigenschaften besitzen, die einer weiteren Untersuchung würdig sind. Nehmen wir zum Beispiel Brüche.
Perfekte Speicherung von Informationen
Fraktonen sind Bruchteile von Spinanregungen und dürfen keine kinetische Energie besitzen. Dadurch sind sie völlig stationär und unbeweglich. Dies macht Fraktone zu neuen Kandidaten für eine absolut sichere Informationsspeicherung. Zumal sie unter besonderen Bedingungen bewegt werden können, nämlich huckepack auf einem anderen Quasiteilchen.
Die numerische Modellierung führt zu einer Bruchsignatur mit typischen Pinch-Punkten (links) und sollte experimentell mit Neutronenstreuung beobachtbar sein. Das Zulassen von Quantenfluktuationen verwischt diese Signatur (rechts), selbst bei T=0 K. Bildnachweis: HZB
„Fraktonen sind aus einer mathematischen Erweiterung der Quantenelektrodynamik entstanden, bei der elektrische Felder nicht als Vektoren, sondern als Tensoren behandelt werden – völlig losgelöst von realen Materialien“, erklärt Prof. Arzt Johannes Reuther, theoretischer Physiker an der Freien Universität Berlin und am HZB.
einfache Modelle
Um Fraktonen künftig experimentell beobachten zu können, ist es notwendig, möglichst einfache Modellsysteme zu finden: Daher wurden zunächst oktaedrische Kristallstrukturen mit antiferromagnetisch wechselwirkenden Eckatomen modelliert.
Dabei wurden besondere Muster mit charakteristischen Pinch-Punkten in den Spinkorrelationen entdeckt, die prinzipiell auch experimentell in einem realen Material mit Neutronenexperimenten nachgewiesen werden können.
„In früheren Arbeiten wurden die Spins jedoch wie klassische Vektoren behandelt, ohne Quantenfluktuationen zu berücksichtigen“, sagt Reuther.
Einschließlich Quantenfluktuationen
Deshalb hat Reuther nun gemeinsam mit Yasir Iqbal vom Indian Institute of Technology im indischen Chennai und seinem Doktoranden Nils Niggemann erstmals Quantenfluktuationen in die Berechnung dieses oktaedrischen Festkörpersystems einbezogen.
Dabei handelt es sich um sehr komplexe numerische Berechnungen, die prinzipiell in der Lage sind, Bruchteile abzubilden. „Das Ergebnis hat uns überrascht, denn wir sehen tatsächlich, dass Quantenfluktuationen die Sichtbarkeit von Fraktonen nicht verbessern, sondern sie im Gegenteil völlig verwischen, sogar bei[{” attribute=””>absolute zero temperature,” says Niggemann.
In the next step, the three theoretical physicists want to develop a model in which quantum fluctuations can be regulated up or down. A kind of intermediate world between classical solid-state physics and the previous simulations, in which the extended quantum electrodynamic theory with its fractons can be studied in more detail.
From theory to experiment
No material is yet known to exhibit fractons. But if the next model gives more precise indications of what the crystal structure and magnetic interactions should be like, then experimental physicists could start designing and measuring such materials.
“I do not see an application of these findings in the next few years, but perhaps in the coming decades and then it would be the famous quantum leap, with really new properties,” says Reuther.
Reference: “Quantum Effects on Unconventional Pinch Point Singularities” by Nils Niggemann, Yasir Iqbal and Johannes Reuther, 12 May 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196601
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