Forscher haben einen neuartigen Quantenzustand der Materie mit chiralen Strömen identifiziert, der möglicherweise die Elektronik und Quantentechnologien revolutioniert. Dieser Durchbruch, der durch direkte Beobachtung mit dem italienischen Elettra-Synchrotron bestätigt wurde, bietet weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Sensoren, Biomedizin und erneuerbare Energien. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Eine internationale Forschungsgruppe hat einen neuartigen Materiezustand identifiziert, der durch das Vorhandensein eines Quantenphänomens namens chiraler Strom gekennzeichnet ist.
Diese Ströme werden auf atomarer Ebene durch eine kooperative Bewegung von Elektronen erzeugt, im Gegensatz zu herkömmlichen magnetischen Materialien, deren Eigenschaften auf der Quanteneigenschaft eines Elektrons, dem sogenannten Spin, und ihrer Anordnung im Kristall beruhen.
Die Bedeutung der Chiralität
Chiralität ist beispielsweise in der Wissenschaft eine Eigenschaft von äußerster Bedeutung und es ist von grundlegender Bedeutung, sie auch zu verstehen DNA. Bei dem entdeckten Quantenphänomen wurde die Chiralität der Ströme durch die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie nachgewiesen, bei der eine geeignete Polarisierung vorliegt Photon kann ein Elektron von der Oberfläche des Materials mit einem wohldefinierten Spinzustand emittieren.
Die Entdeckung, veröffentlicht in Naturbereichert unser Wissen über Quantenmaterialien, über die Suche nach chiralen Quantenphasen und über die Phänomene, die an der Oberfläche von Materialien auftreten, erheblich.
Mögliche Anwendungen und Implikationen
„Die Entdeckung der Existenz dieser Quantenzustände“, erklärt Federico Mazzola, Forscher für die Physik der kondensierten Materie an der Universität Ca’ Foscari in Venedig und Leiter der Forschung, „könnte den Weg für die Entwicklung einer neuen Art von Elektronik ebnen, die Folgendes verwendet: chirale Ströme als Informationsträger anstelle der Ladung des Elektrons. Darüber hinaus könnten diese Phänomene wichtige Auswirkungen auf zukünftige Anwendungen haben, die auf neuen chiralen optoelektronischen Geräten basieren, und große Auswirkungen auf den Bereich der Quantentechnologien für neue Sensoren sowie auf die Bereiche Biomedizin und erneuerbare Energien haben.“
Entdeckung und Verifizierung
Basierend auf einer theoretischen Vorhersage konnte diese Studie dank des Einsatzes des italienischen Elettra-Synchrotrons direkt und zum ersten Mal die Existenz dieses bislang rätselhaften und schwer fassbaren Quantenzustands nachweisen. Tatsächlich beschränkte sich das Wissen über die Existenz dieses Phänomens bisher auf theoretische Vorhersagen für einige Materialien. Seine Beobachtung auf der Oberfläche von Festkörpern macht es äußerst interessant für die Entwicklung neuer ultradünner elektronischer Geräte.
Die Forschungsgruppe, der nationale und internationale Partner angehören, darunter die Universität Ca’ Foscari in Venedig, das Spin Institute, das CNR Materials Officina Institute und die Universität Salerno, untersuchte das Phänomen eines Materials, das der wissenschaftlichen Gemeinschaft bereits aufgrund seiner elektronischen Eigenschaften bekannt ist und für supraleitende Spintronikanwendungen, aber die neue Entdeckung hat einen breiteren Anwendungsbereich, ist viel allgemeiner und auf eine Vielzahl von Quantenmaterialien anwendbar.
Diese Materialien revolutionieren die Quantenphysik und die aktuelle Entwicklung neuer Technologien mit Eigenschaften, die weit über die in der klassischen Physik beschriebenen hinausgehen.
Referenz: „Signatures of a surface spin-orbital chiral metal“ von Federico Mazzola, Wojciech Brzezicki, Maria Teresa Mercaldo, Anita Guarino, Chiara Bigi, Jill A. Miwa, Domenico De Fazio, Alberto Crepaldi, Jun Fujii, Giorgio Rossi, Pasquale Orgiani , Sandeep Kumar Chaluvadi, Shyni Punathum Chalil, Giancarlo Panaccione, Anupam Jana, Vincent Polewczyk, Ivana Vobornik, Changyoung Kim, Fabio Miletto-Granozio, Rosalba Fittipaldi, Carmine Ortix, Mario Cuoco und Antonio Vecchione, 7. Februar 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07033-8