Im Labor verhalten sich die Elektronen im Kristall CeRu₄Sn₆ bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, als würden sie alle bisherigen Regeln ignorieren. Ein internationales Forscherteam hat dort eine topologische halbmetallische Phase nachgewiesen – einen Zustand, der bislang als unvereinbar mit dem Regime der Quantenkritikalität galt.
Quantenkritikalität entsteht, wenn sich ein Material an der Grenze eines Phasenübergangs befindet. Statt gewöhnlicher Teilchen werden die Elektronen durch kollektive Fluktuationen beschrieben, die einem aufgewühlten Wellenmeer gleichen. Früher nahm man an, dass eine stabile topologische Struktur der elektronischen Zustände in einem solchen „Meer“ schlicht nicht überleben könne.
Das Experiment widerlegte diese Vorstellung. Die Wissenschaftler kühlten die Probe aus CeRu₄Sn₆ fast bis auf null ab und ließen Strom hindurchfließen. Ganz ohne äußeres Magnetfeld trat ein anomaler Hall-Effekt auf – eine seitliche Ablenkung der Ladungsträger. Dieser Effekt gilt als direkter Beweis für die topologische Natur des Zustands.
Der Physiker Qimiao Si von der Rice University betonte: Starke Quantenfluktuationen zerstören die Topologie nicht, sondern helfen ihr im Gegenteil, sich auszubilden und zu festigen. Die maximale topologische Antwort wurde genau dort beobachtet, wo die Instabilität der Elektronen am größten war.
Die Entdeckung ebnet den Weg zu neuen Materialien, die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen mit der Stabilität quantenmechanischer Eigenschaften verbinden. Solche Verbindungen könnten in Quantencomputern, Präzisionssensoren und energieeffizienter Elektronik nützlich sein.
Die Forscher prüfen nun, ob eine ähnliche Phase auch in anderen Verbindungen auftritt.
