Technische Innovation

Excitonium: Physiker entdecken neue Form von Materie

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Mit Excitonium haben Wissenschaftler eine neue Form von Materie entdeckt, über deren Vorhandensein zuvor über 50 Jahre lang spekuliert worden war.

Nach über einem halben Jahrhundert Forschung und fehlgeschlagenen Versuchen ist es Wissenschaftlern gelungen, die Existenz einer neuen Form von Materie zu beweisen. Das zuvor nicht nachweisbare Kondensat wird als „Excitonium” bezeichnet und setzt sich aus Exzitonen zusammen. Diese Teilchen entstehen durch eine ungewöhnliche quantenmechanische Paarung, genauer gesagt durch ein ausgetretenes Elektron und dem Loch, das es zurücklässt.

Der Name geht ursprünglich auf den theoretischen Physiker Bert Halperin zurück, der die Existenz von Excitonium in den 1960er Jahren erstmals postulierte. Dass es nun tatsächlich gelungen ist, das Vorhandensein der Substanz zu beweisen, bezeichnet der Hauptautor der entsprechenden Studie als „von kosmischer Signifikanz“. Zwar sagt Peter Abbamonte selbst, dass sein Beweis nicht endgültig ist. Allerdings, so der Physiker, sei er so unumstößlich, wie irgendetwas in der Wissenschaft nur sein könne.

Neuartige Technik zur Elektronenstreuung führt zu Entdeckung

Es scheint den Regeln der Vernunft zu widersprechen: Wenn ein Elektron, das sich am Rande eines Valenzbands voller Elektronen in einem Halbleiter befindet, erregt wird und über die Energielücke in ein ansonsten leeres Leitungsband springt, bleibt ein „Loch“ zurück. Dieses verhält sich wie ein Teilchen mit positiver Ladung und zieht das ausgetretene Elektron an. Paart sich das ausgetretene, negativ geladene Elektron mit dem Loch, bilden die beiden ein zusammengesetztes Teilchen – ein Boson. Elektron und Loch umkreisen sich also wie normalerweise Elektronen und Protonen.

Zusammenhang zwischen Energie und Momentum beim Exzitonen-Kollektiv, wie es mit M-EELS beobachtet werden konnte. Bild: U. of I. Department of Physics – Peter Abbamonte – (Montage)

Die Existenz von Excitonium galt unter Fachleuten schon lange als wahrscheinlich, allerdings gab es bislang keine Möglichkeit, sie zu belegen. Um dies zu ändern, nutzten Abbamonte und sein Team eine neuartige Technik zur Streuung von Elektronen, die sie als impulsaufgelöste Elektronenenergieverlustspektroskopie (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy, M-EELS) bezeichnen. Mit dieser konnte die Gruppe erstmals eine kollektive Erregung der niederenergetischen bosonischen Teilchen messen, unabhängig von der gerade auf sie einwirkenden Bewegungsgröße (Momentum). Mithilfe von künstlich erzeugten Wellen und der besonderen Art und Weise, in der diese sich ausbreiteten, entdeckten sie schließlich die entwichenen Elektronen in ihrer endgültigen Form – Excitonium.

Entdeckung von Excitonium durch Zufälle begünstigt

Erste Versuche mit der neuen Streutechnik hatten Abbamonte und seine Kollegen bereits vor etwa sieben Jahren unternommen, ursprünglich allerdings um Hochtemperatur-Supraleiter zu studieren. Erst Anfang 2015 erkannten sie durch „totale Zufallsfunde“, dass ihre Arbeit das Potenzial hatte, die Existenz der neuen Materie zu beweisen. Da die Forschung mit Excitonium ein komplett neues Territorium ist, kann bislang noch niemand zuverlässig einschätzen, was für Eigenschaften die Substanz hat. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass sie ein Isolator ist und somit weder Energie noch Impulse trägt. Andere wiederum gehen davon aus, dass es sich um das genaue Gegenteil handelt – eine Supraflüssigkeit, die Energie und Impulse ohne Leistungsverlust transportiert.

Künstlerische Darstellung: Die kollektiven Erregungen können als sich ausbreitende Domänenwände (gelb) in einem ansonsten geordneten und festen Excitonium-Körper (blau) gedacht werden. Bild: U. of I. Department of Physics – Peter Abbamonte – (Montage)

Sollte letzteres der Fall sein, könnte Excitonium beispielsweise genutzt werden, um Strom zu leiten. So lange jedoch noch keine tiefergehenden Untersuchungen durchgeführt wurden, sind sämtliche Spekulationen über mögliche Anwendungen müßig. „Das Wichtigste ist, dass es existiert”, sagt Abbamonte. „Es ist eines dieser Dinge, die einfach da sein sollten. Und es ergab keinen Sinn, dass es nicht so war“.

Cover-Foto: U. of I. Department of Physics – Peter Abbamonte – (Montage)

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