Laserimpulse und Neutronenstrahlen haben in einem magnetischen Material einen Quantenzustand nachgewiesen, der die gewohnte Regel des detaillierten Gleichgewichts verletzt und bei niedriger Energie erhalten bleibt, statt schnell zu verschwinden.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums haben gemeinsam mit Kollegen ein Experiment an einem Material durchgeführt, in dem Quantenquasiteilchen – Magnonen – für die magnetischen Eigenschaften verantwortlich sind. Sie nutzten schnelle Laserimpulse, um das System aus dem Gleichgewicht zu bringen, und setzten anschließend Neutronenstreuung an der Spallation Neutron Source im ORNL ein, um das mikroskopische Bild im Detail zu untersuchen. Die im November 2026 in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigten eine Verletzung des detaillierten Gleichgewichts: Im normalen Zustand wird Energie symmetrisch absorbiert und emittiert, doch unter Lasereinwirkung wurden die Neutronensignale asymmetrisch, mit einem Überschuss nur in eine Richtung.
Das Überraschendste war, dass sich dieser Zustand als langlebig erwies. Der Überschuss an Magnonen verschwand nicht schnell wie bei einer kurzzeitigen Erwärmung, sondern wurde durch periodische Laserimpulse aufrechterhalten und bildete einen stabilen Nichtgleichgewichtszustand. Man stelle sich einen Teilchenstrom vor, der sich, statt zurückzufließen, weiter in eine Richtung bewegt – wie eine Einbahnstraße, in der die Bewegung nicht durch einen Gegenstrom ausgeglichen wird.
Das Team unter der Leitung von Chengyun Hua, darunter Barry Winn und Alan Tennant, verbrachte Jahre mit der Entwicklung einer speziellen Infrastruktur für solche Messungen. Zuvor hatte niemand die Verletzung des detaillierten Gleichgewichts direkt in einer kondensierten Umgebung untersucht, und das Experiment bestätigte die theoretischen Vorhersagen in der Praxis.
Diese Entdeckung schafft eine Plattform für die Untersuchung von Quantensystemen fern vom Gleichgewicht in Echtzeit. Sie hilft zu verstehen, wie magnetische Materialien für Quantentechnologien gesteuert werden können, indem Informationsverluste bei der Übertragung verringert und Speicherbauelemente verbessert werden. Die Methode setzt zudem einen neuen Standard für die Neutronenstreuung bei aktiver Einwirkung auf das Material.
Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse liefern eine experimentelle Grundlage für künftige Forschungen zu Quantenmaterialien und deren Anwendung in der Informationstechnologie.
