Physiker beobachten seltsamen Quanten-Effekt, der Intuition widerlegt

Was die Studie zeigt

Seitdem versuchen Wissenschaftler genau zu ermitteln, wie sich der Drehimpuls Festkrpern ausbreitet, indem er sich durch das Kristallgitter, die geordnete Anordnung der Atome innerhalb eines Materials, bewegt. Forscher aus Berlin, Dresden, Jülich und Eindhoven haben diesen Prozess nun direkt beobachten können.

Ihre Experimente zeigten, wie der Drehimpuls zwischen verschiedenen Gitterschwingungen übertragen wird, also zwischen koordinierten Bewegungen Ergebnisse verbessern das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie Magnetismus in festen Materialien entsteht und stabilisiert wird. Laserpulse offenbaren einen Umkehr-Effekt.

Das Team zeigte zudem, dass sie die Rotationsrichtung der atomaren Bewegungen mithilfe extrem intensiver Terahertz-Laserpulse steuern können. Ein Laserpulse versetzte eine Gitterschwingung in eine Kreisbewegung, während ein zweiter ultrakurzer Puls eine weitere damit verbundene Schwingung Kristall maß.

Was die Studie zeigt

Während dieses Impulstransfers zwischen den Schwingungen stießen die Forscher auf etwas Unerwartetes: Der Drehimpus wandte seine Richtung um. Nach Aussage des Teams liegt dies an der Rotationssymmetrie des Kristallgitters: Bestimmte Rotationszustände sind physikalisch identisch, obwohl sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen.

Die Forscher erklären, dass die Beobachtung als direkter quantenmechanischer Nachweis der Erhaltung des Drehimpulses Festkörpern dient. Ein Quanten-Effekt „1 + 1 = −1" Die Experimente konzentrierten sich auf das Quantenmaterial Bismut-Selenid.

In diesem Material können der dem Gittervibrationen zugeordnete Drehimpuls, der als Gitterdrehimpuls bezeichnet wird, sich kombinieren und eine neue Rotation mit doppelter Frequenz, jedoch entgegengesetzter Drehrichtung erzeugen.

Was die Studie zeigt

Die Forscher vergleichen diesen ungewöhnlichen „1 + 1 = −1"-Effekt mit einem Umklapp-Prozess, bei dem die Symmetrie des Kristallgitters die Bewegungsrichtung effektiv umkehrt.

Nach Aussage des Teams handelt es sich hierbei um die erste experimentelle Demonstration eines solchen Verhaltens, das den Gitterdrehimpuls einbezieht. „Ich finde es außerordentlich elegant, wie die Gesetze der Physik direkt durch die Symmetrien der Natur bestimmt werden", sagt Olga Minakova, Doktorandin Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und zentrale experimentelle Physikerin der Studie.

Sebastian Maehrlein, Leiter der Abteilung für Strahlungsphysik am HZDR, Professor an der Dresden und Hauptautor der Studie, ergänzt: „Für mich sind dies außergewöhnlich spannende Ergebnisse.

Technischer Hintergrund

Wir haben etwas Fundamentales Neues entdeckt, das hoffentlich in die Lehrbücher einziehen wird." Die Forscher geben an, dass die Arbeit langfristig zu einer besseren Kontrolle ultraschneller Prozesse Quantenmaterialien führen und die Entwicklung zukünftiger Informationstechnologien sowie fortschrittlicher Speichervorrichtungen unterstützen könnte.

Referenz: „Observation of angular momentum transfer among crystal lattice modes", Carolina Paiva, Maximilian Frenzel, Michael S. Spencer, Joanna M. Urban, Christoph Ringkamp, Martin Wolf, Gregor Mussler, Dominik M. Juraschek und Sebastian F. Maehrlein, 12. Mai 2026, Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-026-03274-8