Forscher der Universität Genf (UNIGE) haben in Zusammenarbeit mit der Universität Salerno und dem CNR-SPIN-Institut experimentelle Beweise für eine grundlegende geometrische Eigenschaft in Quantenmaterialien geliefert. Diese Entdeckung, veröffentlicht im Wissenschaftsjournal "Science" im Jahr 2025, beleuchtet, wie Elektronen Materialien durchqueren und dabei ihre Bahnen krümmen – ähnlich der Beeinflussung von Licht durch Gravitation. Dieses Phänomen eröffnet neue Perspektiven für die Quantenphysik und könnte die Entwicklung elektronischer Geräte der nächsten Generation beschleunigen.
Im Zentrum dieser Erkenntnis steht das Konzept der "Quantenmetrik", welche die Krümmung des quantenmechanischen Raumes quantifiziert, den Elektronen bewohnen. Während die Quantenmechanik traditionell das Verhalten von Teilchen durch Wellenfunktionen und Wahrscheinlichkeiten beschreibt, enthüllt die Quantenmetrik eine verborgene geometrische Struktur, die diese Wellenfunktionen beeinflusst. Diese geometrische Dimension wurde seit über zwei Jahrzehnten theoretisch postuliert, doch dies ist die erste experimentelle Bestätigung ihrer realen Auswirkungen.
Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Grenzfläche zwischen Strontiumtitanat (SrTiO₃) und Lanthananaluminat (LaAlO₃), bekannt für ihre zweidimensionalen Elektronengase mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften. Durch die Anwendung intensiver Magnetfelder wurden die Flugbahnen der Elektronen gezielt verzerrt. Diese Verzerrungen deckten subtile, aber entscheidende Einflüsse der Quantenmetrik auf, die ein neues Verständnis für Elektronentransportmechanismen in komplexen Materialien bieten.
Die Parallele zur allgemeinen Relativitätstheorie ist bemerkenswert: So wie massive Objekte die Raumzeit krümmen, krümmt die Quantenmetrik den abstrakten Hilbertraum, den Elektronen besetzen, und beeinflusst so ihre Bewegung und Wechselwirkungen. Dieser konzeptionelle Wandel von Gravitations- zu Quantengeometrien eröffnet Wege für Geräte, die diese intrinsischen Materialeigenschaften bei Terahertz-Frequenzen nutzen – Frequenzen, die für fortschrittliche Kommunikationssysteme und die Quanteninformationsverarbeitung unerlässlich sind.
Die Forschungsergebnisse des UNIGE-Teams liefern überzeugende Beweise dafür, dass die Quantenmetrik eine intrinsische Eigenschaft vieler Quantenmaterialien ist. Dies deutet darauf hin, dass zukünftiges Materialdesign diese geometrischen Effekte berücksichtigen muss, um sein volles Potenzial auszuschöpfen. Die Verknüpfung von Spin und Impuls unter dem Einfluss der Quantenmetrik führt zu unerwarteten Modifikationen der elektronischen Transporteigenschaften, die entscheidend für die Realisierung von spintronischen Geräten sein könnten.
Die Implikationen erstrecken sich auch auf die Supraleitung und die Licht-Materie-Wechselwirkung. Materialien mit nicht-trivialer Quantengeometrie könnten veränderte supraleitende Eigenschaften aufweisen. Die Manipulation von Elektronenbahnen durch Quantenmetrik-Effekte kann auch die Photon-Elektron-Kopplung verbessern, was für die Entwicklung effizienter quantenphotonischer Geräte von entscheidender Bedeutung ist. Diese Forschung schlägt eine Brücke zwischen fundamentaler Physik und angewandter Technologie und beschleunigt potenziell Innovationen in verschiedenen Bereichen.