Nachweis fraktionaler Anyonen gelungen

In Materialien mit stark wechsel­wirkenden Elektronen können exotische und unerwartete Phänomene auftreten. So kann ein Material unter bestimmten Temperaturen und weiteren Umgebungs­bedingungen abrupt seine Eigen­schaften ändern: Ein Metall-Isolator-Übergang führt zum Beispiel zu einem Verschwinden der elektrischen Leit­fähig­keit, während ein supra­leitender Zustand elektrischen Transport bei verschwindendem Widerstand ermöglicht. Daneben gibt es Phasen, in denen aus einem kollektiven Verhalten der Teilchen ein fraktionaler Charakter entsteht.

Ein Beispiel für diesen Effekt ist der fraktionale Quanten-Hall-Effekt, bei dem Quasi-Teilchen mit gebrochener Elementar­ladung auftreten. Solche „Anyonen“ verhalten sich anders als Teilchen, die sich mit der konventio­nellen Quanten­mechanik beschreiben lassen. In der Theorie werden sie als wichtige Basis zukünftiger Quanten­computer-Anwendungen diskutiert. Ihr experi­men­teller Nachweis gestaltet sich allerdings als schwierig.

In einer internationalen Kollaboration haben jetzt Forscher der TU Braunschweig, der Chung-Ang University Seoul, der Université Diderot-Paris und des Hoch­magnet­feld­labors Grenoble experi­mentelle Hinweise auf diese exotische Phase mit fraktionalen Anyonen in der Verbindung Ruthenium(III)-chlorid gefunden. „Dafür wurden optische Spektro­skopie-Experi­mente unter extremen Bedingungen – bei tiefen Temperaturen um zwei Kelvin und in hohen Magnet­feldern bis dreißig Tesla – durch­geführt. Die experi­men­tellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Materialien wie α-RuCl₃ vielver­sprechende Ansätze bieten, um zukünftige Quanten­computer zu realisieren“, sagt Dirk Wulferding von der TU Braunschweig.

TU Braunschweig / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Wulferding et al.: Magnon bound states versus anyonic Majorana excitations in the Kitaev honeycomb magnet α-RuCl₃, Nat. Commun. 11, 1603 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15370-1
• Laboratory for Emerging Nanometrology, Institut für Physik der Kondensierten Materie, Technische Universität Braunschweig