Physiker weisen erstmals Dirac-Elektronen in vierter Dimension nach

Physikern ist es gelungen, eine ganz besondere Form von Elek­tro­nen zu finden, die nur unter speziellen räumlichen Be­din­gun­gen exis­tie­ren und vor hundert Jahren in der Quanten­theorie vor­her­ge­sagt wurden. Sie sind faktisch masselos.

Schnell im Quantenraum

Sie sogenannten Dirac-Elektronen sind im Grunde gewöhnliche Elektronen unter außergewöhnlichen Bedingungen, die eine Dosis spezieller Relativitätstheorie erfordern, um ihr Quantenverhalten zu verstehen. Konkret versetzt die Überlappung von Atomen einige ihrer Elektronen in einen seltsamen Raum, der es ihnen ermöglicht, mit hervorragender Energieeffizienz durch die Materialien zu springen.

Denn dadurch, dass sie quasi masselos sind, schwingen sie mit Lichtgeschwindigkeit. Vorhergesagt wurden sie in den Gleichungen des theoretischen Physikers Paul Dirac. Sie konnten nun real in Graphen und anderen topologischen Materialien nachgewiesen werden. Topologischen Materialien ziehen aktuell viel Aufmerksamkeit auf sich, weil sie sich auf einer Seite wie ein Leiter, auf der anderen wie ein Isolator verhalten.


Um das Potenzial der Dirac-Elektronen zu nutzen, müssen wir sie jedoch besser verstehen, und genau hier stoßen die Physiker auf ein Problem. Dirac-Elektronen koexistieren mit Standardelektronen, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, eine Art von Elektronen eindeutig nachzuweisen und zu messen.

Vierte Dimension

Ein Physikerteam unter der Leitung von Ryuhei Oka von der Universität Ehime in Japan schaffte es, die Dirac-Elektronen unter Ausnutzung der Elektronenspinresonanz nachzuweisen. Die Forscher konnten zeigen, dass sie die Teilchen in einem supraleitenden Polymer von herkömmlichen Elektronen unterscheiden können.

Das Team fand heraus, dass das Dirac-Elektron in vier Dimensionen beschrieben werden muss, um es vollständig zu verstehen. Es gibt die üblichen drei räumlichen Dimensionen, die x-, y- und z-Achse, und dann gibt es noch das Energieniveau des Elektrons, das eine vierte Dimension darstellt. Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftler im Journal Materials Advances publiziert.


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