Elektronen sind nicht nur negative Ladungsträger; sie zeigen eine wellenartige Natur, die es ihnen ermöglicht, komplexe Geometrien im quantenmechanischen Bereich anzunehmen. Zum ersten Mal haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) die tatsächliche Form von Elektronen in einem Festkörper gemessen, wie in einer aktuellen Veröffentlichung in Nature Physics beschrieben.
Diese bahnbrechende Entdeckung hat das Potenzial, unser Verständnis von Materie zu revolutionieren und den Weg für Fortschritte in der Quantencomputing und fortschrittlicher Elektronik zu ebnen. Historisch gesehen haben Wissenschaftler Elektronen hauptsächlich in Bezug auf Energie und Geschwindigkeit analysiert, während ihre geometrische Struktur bis jetzt weitgehend unerforscht blieb.
Elektronen verhalten sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen, die durch mathematische Funktionen beschrieben werden, die als Wellenfunktionen bekannt sind. Diese Wellenfunktionen können in mehrdimensionalen Räumen unerwartete Formen annehmen, die beeinflussen, wie Elektronen miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren.
Unter der Leitung von Physiker Riccardo Comin verwendete das MIT-Team eine Technik namens winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES), um diese Formen direkt zu messen. Diese fortschrittliche Methode beinhaltet das Bestrahlen eines Materials mit Licht und die Analyse der ausgestoßenen Elektronen, wodurch die Rekonstruktion ihrer quantenmechanischen Struktur ermöglicht wird. "Wir haben einen Plan entwickelt, um völlig neue Informationen zu erhalten, die zuvor unerreichbar waren," erklärte Comin.
Die Forscher konzentrierten sich auf eine spezielle Klasse von Materialien, die als Kagome-Metalle bekannt sind, die durch ihre ineinandergreifende dreieckige atomare Struktur gekennzeichnet sind. Diese ungewöhnliche Geometrie beeinflusst die Bewegung der Elektronen innerhalb des Materials und erzeugt einzigartige quantenmechanische Phänomene wie fortgeschrittene Supraleitung und synchronisierte Elektronenpaarung.
Durch das Studium dieser Materialien konnte Comins Team beobachten, wie die Geometrie der Wellenfunktionen das Verhalten der Elektronen beeinflusst. Diese Messung ist bedeutend, da sie lang gehegte theoretische Vorhersagen bestätigt und neue Wege eröffnet, um Materialien auf quantenmechanischer Ebene zu manipulieren.
Die Form der Elektronen ist nicht nur eine akademische Kuriosität; sie spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie Elektronen in Materialien interagieren, was zu exotischen Eigenschaften wie Supraleitung führen kann, bei der Elektronen ohne Widerstand reisen. Laut dem US-Energieministerium könnte dieser Fortschritt die Entwicklung von Quantenmaterialien mit Anwendungen in der Computertechnik, Elektronik und Energiespeicherung erleichtern.
Comins Experiment wurde durch ARPES ermöglicht, das es Wissenschaftlern erlaubt, die quantenmechanische Struktur von Elektronen in einem Material zu "fotografieren". Allerdings bringt die Technik auch ihre eigenen Herausforderungen mit sich.