Tanzende Moleküle und zweidimensionale Teilchen

Forscher_innen finden einen neuen Weg, Anyonen mit Hilfe rotierender Moleküle zu realisieren

Anyonen sind eine schwer fassbare Art von Quasiteilchen, die in Experimenten noch nicht eindeutig beobachtet werden konnten. Wissenschafter_innen des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben nun in Zusammenarbeit mit der Universität Uppsala einen neuen Weg gefunden, ein System rotierender Moleküle zu konstruieren, dessen Verhalten Anyonen auf der Oberfläche einer Kugel entspricht. Dies könnte einen vielversprechenden Weg bieten, diese nicht greifbaren Quasiteilchen endlich zu beobachten und bei der Realisierung zukünftiger Quantencomputer helfen.

Im seltsamen Reich der Quantenmechanik finden Wissenschafter_innen fremdartige Beziehungen zwischen unserer dreidimensionalen Welt und einer imaginären zweidimensionalen Welt von Quasiteilchen, die Anyonen genannt werden. Unter der Leitung des Physikers Enderalp Yakaboylu haben Forscher_innen der Lemeshko Gruppe und der Seiringer Gruppe (Morris Brooks) am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) in Zusammenarbeit mit Douglas Lundholm von der Universität Uppsala nun einen neuen Weg gefunden, diese bisher nicht greifbaren Anyonen experimentell zu realisieren. Dies könnte in Zukunft den Bau einer neuen Art von Quantencomputer unterstützen.

Teilchenfamilien

Unsere Alltagswelt besteht aus zwei Familien von Teilchen: Fermionen und Bosonen. Fermionen sind zum Beispiel Protonen, Neutronen und Elektronen in den Atomen, welche die Materie bilden. Die Teilchen des Lichts, sogenannte Photonen, sind dagegen Bosonen. Jede dieser Teilchenfamilien folgt unterschiedlichen physikalischen Gesetzen, die ihre Wechselwirkungen untereinander regeln. Eine wichtige Regel beschreibt, was passiert, wenn zwei Teilchen der gleichen Art in einem gegebenen System den Platz tauschen und wie sich das auf das gesamte System auswirkt. Für beide Familien gilt: Tauscht man zwei Teilchen zweimal aus, scheint keine ganzheitliche Veränderung auf. Zum Vergleich: Man stelle sich zwei Fußbälle vor. Wenn man ihre Plätze zweimal tauscht, kommt man wieder in den ursprünglichen Zustand zurück.

Wenn eine große Anzahl einzelner Teilchen — entweder Fermionen oder Bosonen — miteinander wechselwirken, sind die resultierenden Gleichungen viel zu kompliziert, um sie auf direkte Weise zu lösen. Stattdessen konstruierten Wissenschafter_innen einen Weg, um das kollektive Verhalten dieser Wechselwirkungen auf vereinfachte Weise zu beschreiben. Dabei fanden sie heraus, dass sich diese Ergebnisse wie eine neue Art von Teilchen verhalten, sogenannte Quasiteilchen. Ein Quasiteilchen ist kein Teilchen wie ein Elektron oder Photon, sondern ein Konzept zur Beschreibung eines auftretenden kollektiven Verhaltens eines komplexen Systems.

Leben in zwei Dimensionen

Anyonen sind solche Quasiteilchen, die in einer imaginären zweidimensionalen Welt leben. Das bedeutet, dass es in unserer dreidimensionalen Welt reale physikalische Systeme gibt, die sich unter den richtigen Umständen kollektiv wie diese Anyonen in einer zweidimensionalen Welt verhalten. Das Spannende an Anyonen ist, wenn man zwei davon zweimal austauscht dies nicht zur ursprünglichen Konfiguration des Systems führt, sondern die Geschichte dieses Austauschs im System gespeichert ist. Allerdings ist es sehr schwierig, das richtige System zu finden, um solche Anyonen zu konstruieren und zu beobachten. Dies ist bisher noch nicht zweifelsfrei gelungen.

Wissenschafter_innen haben vorgeschlagen, diesen Effekt der Kodierung der Geschichte des Austauschs von Anyonen als einen sehr stabilen Informationsträger zu nutzen, um ihn in sogenannten topologischen Quantencomputern einzusetzen. Quantencomputer versprechen großartige Rechenleistungen zur Lösung schwieriger Probleme, aber ihr Bau hat sich als sehr schwierig erwiesen, weil die notwendigen Quanteneffekte sehr leicht zerfallen. Die Verwendung von Anyonen und ihrer besonderen Eigenschaft, ihre Geschichte des Teilchenaustauschs zu kodieren, könnte dafür eine Lösung sein.

Tanzende Moleküle

Das Team um Enderalp Yakaboylu hat nun für ein bereits gut erforschtes physikalisches System einen neuen theoretischen Weg entwickelt, um solche Anyonen zu konstruieren. Es besteht aus zwei linearen Molekülen mit je zwei Atomen, die man sich als gerade Stäbe mit je einem Atom an jedem Ende vorstellen kann, die in einem winzigen Tröpfchen extrem kalten Heliums bei fast dem absoluten Nullpunkt gelöst sind. Wenn man diese Moleküle einem Magnetfeld aussetzt, beginnen sie zu rotieren und beeinflussen sich gegenseitig.

Die Wissenschafter_innen fanden heraus, dass die Rotation und die Wechselwirkungen dieser Moleküle Anyonen — den Quasiteilchen — entsprechen, die sich auf der Oberfläche einer imaginären Kugel bewegen. Der Austausch der Positionen der Anyonen auf der Kugel entspricht dann nicht dem physikalischen Austausch der beiden Moleküle, was in einem Experiment schwer zu realisieren wäre, sondern der Wechselwirkung ihrer Rotationen. Das macht es viel einfacher, dies in einem Experiment zu realisieren. Die Gesetzmäßigkeiten für die Anyonen geben dann Regeln vor, wie sich die Moleküle während ihrer Rotation zueinander ausrichten können, was wiederum in einem Experiment beobachtet werden könnte.

Dieses neue System zur Realisierung von Anyonen könnte ein erster Schritt zum Einsatz in topologischen Quantencomputern sein, die große Fortschritte von Rechenleistung versprechen. Ob sich dieser Tanz der Moleküle realisieren lässt und ob er uns die bisher schwer fassbaren Anyonen zeigen wird, müssen zukünftige Experimente zeigen.

Publikation

Morris Brooks, Mikhail Lemeshko, Douglas Lundholm, and Enderalp Yakaboylu. 2020. Molecular Impurities as a Realization of Anyons on the Two-Sphere. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.015301

Projektförderung

Dieses Projekt von IST Austria wurde mit Mitteln der Göran Gustafsson Stiftung (Grant Nr. 1804), der LMU München und des European Research Council (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant Agreements No 801770) unterstützt.