Rätselhafte Materie: Warum hat ein Material bestimmte Eigenschaften? Die quantenmechanischen Ursachen lassen sich nur schwer beobachten. In sogenannten Analogexperimenten kann man sie in größerem Maßstab simulieren.
Wieso verhält sich Materie so, wie sie es tut? Eine simple Frage. Doch Antworten sind häufig schwierig zu finden. Denn die Mechanismen, die Materialien gewisse Eigenschaften verleihen, haben oft quantenmechanische Ursachen — und die lassen sich bei Experimenten noch immer nur schwer direkt beobachten. Denn sie laufen zu schnell und auf zu kleinen Skalen ab, als dass man alle Prozesse im Detail nachvollziehen könnte.
Doch Forscherinnen und Forschern gelingt es inzwischen immer besser, diesem Dilemma zu begegnen. Die Lösung sind häufig sogenannte Analogexperimente. Damit lassen sich manche Quantenphänomene der Materie auf größere Maßstäbe übertragen und dadurch leichter untersuchen.
Ein Beispiel für eine solche Materie ist Graphen, ein zweidimensionaler Kristall aus Kohlenstoffatomen. Dabei sind die Atome in einem hexagonalen, flachen Gitter angeordnet. Bewegen sich Elektronen durch Graphen, durchqueren die Teilchen Energiebarrieren, die sie laut klassischer Physik eigentlich nicht überwinden können, oder sie verhalten sich plötzlich wie Lichtteilchen. Übereinander geschobene Graphenschichten, die geringfügig gegeneinander verdreht sind, leiten elektrischen Strom sogar ohne Widerstand. Forschende wollen verstehen, was hier auf Quantenebene abläuft.
Gelungen ist das jetzt mithilfe von Lasern. Sie ermöglichten es, die Materie in größerem Maßstab zu simulieren, um den Prozessen auf den Grund zu gehen. Der Schlüssel: speziell überlagerte Lichtwellen und kalte Atome.
Mit solchen Analogexperimenten kannst du unterschiedlichste Systeme ins Labor holen und simulieren.
Mike Zeitz
Mike Zeitz, Physiker und Redakteur bei Spektrum der Wissenschaft, erklärt im Gespräch mit detektor.fm-Moderator Marc Zimmer, wie die Forschenden beim Graphen vorgegangen sind und was sie herausgefunden haben. Er geht dabei auch auf die Möglichkeiten solcher Analogexperimente im Allgemeinen ein und beantwortet die Fragen, wie wir künftig den Rätseln bestimmter Materie besser auf den Grund gehen können und welches Potenzial darin steckt.