Axion-Teilchen in einem Festkörperkristall gesichtet

7. Oktober 2019

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe in Dresden, der Princeton Universität, der Universität Illinois und der Universität der chinesischen Akademie der Wissenschaften haben ein bekanntermaßen schwer fassbares Teilchen entdeckt: Das Axion – vor 42 Jahren erstmals als Elementarteilchen in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt.

Das Team fand Signaturen von Axion-Teilchen, die aus Weyl-Elektronen im korrelierten topologischen Halbmetall (TaSe4)2I bestehen. Bei Raumtemperatur ist (TaSe4)2I ein eindimensionaler Kristall, der Weyl Fermion-artig Elektronen enthält, die elektrischen Strom leiten. Durch Abkühlen von (TaSe4)2I unter -11 °C, kondensieren diese Elektronen selbst zu einem Kristall – einer sogenannten „Ladungsdichtewelle“ – die das darunterliegende Kristallgitter der Atome verzerrt. Die anfänglich freien Weyl-Fermionen sind nun lokalisiert und das Weyl Halbmetall (TaSe4)2I wird zu einem Axion-Isolator. Ähnlich wie in metallischen atomaren Kristallen freie Elektronen existieren, beherbergt der elektronische "Ladungsdichtewellen"-Kristall auf Weyl-Halbmetallbasis freie Axionen, die elektrischen Strom leiten können. Solche Axion-Teilchen verhalten sich jedoch ganz anders als die bekannteren Elektronen. Wenn diese parallelen elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt sind, erzeugen sie einen anormalen positiven Beitrag zur magnetoelektrischen Leitfähigkeit.

Basierend auf Vorhersagen von Andrei Bernevigs Gruppe an der Princeton Universität, hat die Gruppe von Claudia Felser in Dresden das Ladungsdichtewellen-Weyl-Halbmetall (TaSe4)2I hergestellt und die elektrische Leitung in diesem Material unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder erforscht. Dabei wurde festgestellt, dass der elektrische Strom in diesem Material unter -11 °C tatsächlich von Axion-Teilchen getragen wird.

Die Ergebnisse der Experimente wurden im Nature-Magazin veröffentlicht.

„Es ist sehr überraschend, dass Materialen, die wir meinen genau zu kennen, plötzlich solch interessante Quantenteilchen aufzeigen,“ sagt Claudia Felser.

Die Untersuchung der neuartigen Eigenschaften von Axion-Teilchen in „Tischversuchen“ könnte es Wissenschaftlern nicht nur ermöglichen, das mysteriöse Reich der Quantenteilchen besser zu verstehen, sondern auch das Feld stark korrelierter topologischer Materialien zu erschließen.

„Ein weiterer Baustein zu meinem Lebenstraum, mit Tischexperimenten in Festkörpern Ideen aus der Astro- und Hochenergiephysik zu realisieren.“ sagt Johannes Gooth.

CF/CPfS

Schema eines Weyl-Halbmetall-basierten Axion Isolators.
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