Kroatische Physiker bestätigen jahrzehntealte Vorhersagen: Durchbruch in der Quantenforschung

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Zagreb hat zwei außergewöhnliche Quantenzustände in einem magnetischen Material experimentell nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden in einer renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht und auf deren Titelseite hervorgehoben.

Kroatische Wissenschaftler haben einen bedeutenden Erfolg in der internationalen Grundlagenforschung erzielt. Ivan Jakovac und Mihael Grbić von der Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik der Universität Zagreb leiteten ein internationales Forschungsteam, dem es gelang, theoretische Vorhersagen zu zwei besonderen Quantenzuständen experimentell zu bestätigen.

Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die wissenschaftliche Arbeit wurde zudem für die Titelseite einer Ausgabe ausgewählt und von der Redaktion besonders hervorgehoben.

Im Mittelpunkt der Untersuchung stand ein ungewöhnliches magnetisches Material, dessen Verhalten sich unter extremen Bedingungen grundlegend verändert. Die Erkenntnisse könnten helfen, die Eigenschaften von Materie auf kleinster Ebene besser zu verstehen – ein Forschungsgebiet, das auch für künftige Quantentechnologien von Bedeutung ist.

Zwei Quantenzustände, die lange nur theoretisch beschrieben wurden

Die Forscher untersuchten sogenannte Haldane-Ketten. Dabei handelt es sich um Systeme, in denen winzige magnetische Momente entlang einer Kette miteinander wechselwirken. Das Konzept geht auf theoretische Arbeiten des Physikers Duncan Haldane zurück, der solche Systeme in den 1980er-Jahren untersuchte.

Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen und starken Magnetfeldern, können diese Ketten ungewöhnliche quantenphysikalische Zustände annehmen.

Das Forschungsteam bestätigte dabei zwei zentrale Phasen: eine sogenannte Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit und ein magnetisches Bose-Einstein-Kondensat.

Die Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit beschreibt ein besonderes Verhalten wechselwirkender Teilchen in eindimensionalen Systemen. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich deutlich von denen gewöhnlicher Flüssigkeiten oder Metalle. Das magnetische Bose-Einstein-Kondensat wiederum ist ein Zustand, in dem sich quantenmechanische Anregungen kollektiv verhalten und gemeinsame Eigenschaften entwickeln.

Während entsprechende theoretische Überlegungen bereits seit Jahrzehnten existieren, erwies sich der experimentelle Nachweis als schwierig. Mehr als 20 verwandte Materialien waren im Laufe der Forschung synthetisiert worden, ohne alle Voraussetzungen für eine zuverlässige Beobachtung der gesuchten Zustände zu erfüllen.

Ein besonderes Material brachte den Durchbruch

Entscheidend war ein vollständig organischer, metallfreier magnetischer Stoff mit der Bezeichnung BoNO. Synthetisiert wurde das Material von der japanischen Wissenschaftlerin Y. Hosokoshi von der Osaka Metropolitan University.

Mit diesem Material konnten die Forscher das Verhalten der magnetischen Ketten unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen genauer untersuchen. Dazu veränderten sie das Magnetfeld in einem breiten Bereich von null bis 34 Tesla und beobachteten, wie sich die Eigenschaften des Systems entwickelten.

„Was wir jahrzehntelang nur als theoretische Vorhersage hatten, konnten wir nun direkt experimentell bestätigen“, erklärte Ivan Jakovac laut der Mitteilung der Universität Zagreb. Das Material habe sich bei Veränderungen von Temperatur und Magnetfeld so verhalten, wie es die Theorie vorhergesagt habe.

Die Untersuchungen zeigen damit, dass die theoretischen Modelle das Verhalten dieses Systems unter den getesteten Bedingungen zutreffend beschreiben.

Messungen in Zagreb, Frankreich und Deutschland

Für die Experimente nutzte das Team unter anderem die Kernspinresonanz, eine Methode, mit der sich die Eigenschaften und das Verhalten von Materie auf mikroskopischer Ebene untersuchen lassen.

Ein Teil der Messungen wurde in Zagreb durchgeführt. Weitere Experimente fanden in Forschungszentren im französischen Grenoble und im deutschen Dresden statt. An dem Projekt waren damit Wissenschaftler aus mehreren Ländern beteiligt.

Mihael Grbić betonte die Bedeutung des experimentellen Tests theoretischer Berechnungen. In der Quantenphysik könnten zahlreiche mögliche Zustände mathematisch vorhergesagt werden. Entscheidend sei jedoch, ob sich diese Vorhersagen bestätigen, wenn äußere Parameter gezielt verändert und die tatsächlichen Reaktionen des Materials gemessen werden.

Genau dieser Abgleich zwischen Theorie und Experiment gelang dem internationalen Team.

Warum die Ergebnisse für künftige Technologien interessant sind

Die Forschung gehört zum Gebiet der stark korrelierten Quantensysteme. In solchen Materialien können schon Veränderungen der Temperatur, des Magnetfelds oder anderer äußerer Bedingungen zu deutlichen Änderungen ihrer Eigenschaften führen.

Das ist nicht nur für das grundlegende Verständnis der Physik interessant. Organische magnetische Materialien könnten Wissenschaftlern auch neue Möglichkeiten eröffnen, besondere Quantenzustände und deren kollektives Verhalten zu untersuchen.

Solche Erkenntnisse sind langfristig auch für die Entwicklung von Quantentechnologien relevant. Dazu zählt die Quanteninformatik, die bestimmte Aufgaben mithilfe quantenmechanischer Effekte auf neue Weise bearbeiten soll.

Allerdings bedeutet die nun erfolgte Bestätigung nicht, dass unmittelbar ein neues Quantencomputer-System oder ein marktreifes Produkt entstanden ist. Zunächst handelt es sich um einen wichtigen Fortschritt in der Grundlagenforschung, der neue Untersuchungen ermöglichen kann.

Kroatische Wissenschaft auf internationalem Niveau

Die Veröffentlichung unterstreicht die Rolle kroatischer Wissenschaftler in der internationalen Forschung. Dass zwei Physiker der Universität Zagreb ein Team bei der experimentellen Bestätigung langjähriger theoretischer Vorhersagen führten, ist ein beachtlicher Erfolg für den Forschungsstandort Kroatien.

Zugleich zeigt das Projekt, wie eng moderne Grundlagenforschung international vernetzt ist: Der Fortschritt wurde durch die Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen in Kroatien, Japan, Frankreich und Deutschland ermöglicht.

Die Erkenntnisse liefern einen wichtigen experimentellen Beleg dafür, wie sich quantenphysikalische Systeme unter extremen Bedingungen verhalten. Für die Wissenschaft ist damit ein lange offenes Problem ein Stück weiter geklärt.

Foto: Suradnik13 / Wikimedia Commons, Lizenz: CC BY-SA 3.0⁠