Atome schwingen auf Kreisbahnen – mit unerwarteter Wendung

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft hat erstmals direkt beobachtet, wie der Drehimpuls auf atomarer Ebene in einem Kristallgitter weitergegeben und erhalten wird. Den Forschenden gelang es, diese Dynamik mithilfe starker Terahertz-Laserimpulse gezielt zu steuern, wobei sie einen überraschenden Effekt entdeckten: Bedingt durch die Rotationssymmetrie des Materials kehrt sich die Drehrichtung bei der Übertragung um. Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Grundlagen des Magnetismus und eröffnen Möglichkeiten zur gezielten Kontrolle von Quantenmaterialien.

Fundamentale Erhaltungsgrößen wie Energie, Impuls und der Drehimpuls bestimmen die Gesetze unserer Natur, da sie in einem abgeschlossenen System stets erhalten bleiben und somit nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt oder übertragen werden können. Während der Drehimpuls im Alltag etwa bei rotierenden Karussells oder beim Fahrradfahren anschaulich wird, spielt er auf der Quantenebene eine ebenso zentrale Rolle und fungiert dort unter anderem als Ursprung des Magnetismus.

Ein lange offenes Rätsel der Physik

Bereits vor über 100 Jahren wiesen Albert Einstein und Wander Johannes de Haas in einem berühmten Experiment nach, dass eine Magnetisierungsänderung eine messbare Drehbewegung auslöst, womit sie die Verknüpfung von magnetischem und mechanischem Drehimpuls belegten. Seitdem geht die Wissenschaft der Frage nach, wie sich dieser Drehimpuls im Inneren eines Festkörpers verteilt und über das Kristallgitter, also die regelmäßige Anordnung der Atome, weitergegeben wird.

Nun ist es einem internationalen Physikteam aus Berlin, Dresden, Jülich, Tel Aviv und Eindhoven gelungen, diesen Prozess erstmals direkt zu beobachten. Die Forschenden zeigen detailliert, wie der Drehimpuls zwischen verschiedenen Gitterschwingungen – den kollektiven Bewegungen der Atome im Kristall – übertragen wird, und liefern damit eine wichtige Grundlage für das Verständnis, wie sich Magnetismus in Festkörpern einstellt und stabilisiert.

Gezielte Kontrolle des Drehimpulses mit Terahertz-Laserlicht

Darüber hinaus gelang es dem Team, die Drehrichtung atomarer Kreisbewegungen mithilfe ultrastarker Laserimpulse im Terahertz-Spektralbereich gezielt zu kontrollieren. Diese unsichtbaren Laserimpulse steuern eine bestimmte Gitterschwingung auf eine Kreisbahn, während ein zweiter ultrakurzer Laserimpuls eine andere, gekoppelte Schwingung des Kristalls abtastet. Dabei zeigte sich der überraschende Effekt, dass sich die Richtung des Drehimpulses beim Übergang zwischen diesen Schwingungen umkehrt. Die Ursache dafür liegt in der besonderen Rotationssymmetrie des Kristallgitters, in dem bestimmte Drehzustände physikalisch gleichwertig sind, obwohl sie entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen. Diese experimentelle Beobachtung stellt somit einen direkten quantenmechanischen Fingerabdruck der Drehimpulserhaltung im Festkörper dar.

Erste experimentelle Umkehr von Gitterdrehimpulsen

Für das untersuchte Quantenmaterial Bismutselenid zeigt sich daher ein ungewohntes Bild, da sich die an die Gitterschwingungen gebundenen Gitterdrehimpulse so kombinieren können, dass eine Rotation mit doppelter Frequenz, aber umgekehrter Drehrichtung entsteht. Anschaulich entspricht dieses „1 + 1 = −1“ einem sogenannten Umklapp-Prozess, bei dem sich die Bewegungsrichtung durch die Symmetrie des Kristallgitters gewissermaßen umkehrt – ein Phänomen, das nun erstmals experimentell für Gitterdrehimpulse nachgewiesen wurde.

„Ich finde es außerordentlich ästhetisch, wie physikalische Gesetze direkt durch die Symmetrien der Natur vorgegeben werden“, sagt Olga Minakova. Professor Sebastian Maehrlein ergänzt: „Für mich sind das außergewöhnlich spannende Ergebnisse. Wir haben hier etwas fundamental Neues entdeckt, das hoffentlich in die Lehrbücher eingehen wird.“

Langfristig ebnen diese Ergebnisse den Weg für die gezielte Steuerung ultraschneller Prozesse in Quantenmaterialien und könnten so neue Impulse für zukünftige Informationstechnologien sowie innovative Datenspeicher liefern.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) (05/2026)