Chiralität, oft auch als „Handigkeit“ bezeichnet, ist ein faszinierendes Phänomen, das in verschiedenen Bereichen von Biologie über Chemie bis hin zur Physik eine bedeutende Rolle spielt. Es beschreibt eine Eigenschaft von Objekten, die sich von ihrem Spiegelbild unterscheiden, ähnlich wie linke und rechte Hände. Diese Eigenschaft ist universell und tritt in der Natur auf verschiedenen Skalen auf, sei es bei Molekülen wie Aminosäuren, der berühmten Doppelhelixstruktur der DNA oder den spiralförmigen Mustern von Schneckenhäusern. Obwohl Chirale Phänomene in der klassischen Welt schon gut verstanden sind, bleiben ihre tiefgehenden Implikationen in der Quantenwelt noch weitgehend unerforscht. Nun ist es Forschungsgruppen aus Princeton University gelungen, einen bislang verborgenen chiralen Quantenzustand in einem topologischen Material nachzuweisen, dessen Bedeutung weit über das bisher Bekannte hinausgeht.
Die Entdeckung wurde durch ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Professor M. Zahid Hasan, Eugene Higgins Professor für Physik an der Princeton University, realisiert. Die Wissenschaftler fokussierten sich auf das Material KV₃Sb₅, das eine bestimmte Kristallstruktur aufweist, bekannt als Kagome-Gitter. Dieses zweidimensionale geometrische Muster besteht aus aneinander gereihten Dreiecken, die miteinander verbunden sind und erinnert an traditionelle japanische Flechtmuster. Kagome-Gitter sind seit Jahren aufgrund ihrer außergewöhnlichen quantenmechanischen Eigenschaften und der Fähigkeit, exotische Phasen hervorzubringen, Gegenstand intensiver Forschung.
Was die Kagome-Gitter jedoch ursprünglich auszeichnete, war ihre achirale Natur, das heißt, sie besitzen keine „Handigkeit“. Diese Annahme stellte sich nun als unvollständig heraus. Bereits im Jahr 2021 zeigte ein Team um Hasan, dass KV₃Sb₅ unter bestimmten Bedingungen eine sogenannte ladungsdichte Welle (charge density wave, CDW) ausbildet – eine periodische Modulation der elektronischen Dichte im Material. Diese Ladungsordnung führt zu einem spontanen Symmetriebruch, vergleichbar mit einem Phasenübergang, wie ihn beispielsweise Wasser beim Gefrieren durchläuft. Der aktuelle Durchbruch besteht darin, dass die Forscher mit Hilfe eines neuartigen scanphotocurrentmikroskops (SPCM) die bislang verborgenen gebrochenen Symmetrien sichtbar machen konnten, die dieser ladungsdichten Welle zugrunde liegen.
Dieses Gerät unterscheidet sich von herkömmlichen Rastertunnelmikroskopen (STM), da es in der Lage ist, optisch aktive Materialien bei der Erzeugung von Photostrom unter zirkular polarisiertem Licht lokal zu untersuchen. Das Verfahren kombiniert Vorteile aus Elektronen- und Lichtmessungen und bietet so ein umfassenderes Bild der komplexen quantenmechanischen Vorgänge im Material. Die Versuche wurden bei extrem niedrigen Temperaturen nahe 4 Kelvin durchgeführt, um die quantenmechanischen Effekte deutlich hervortreten zu lassen. Bei diesen Temperaturen zeigte der Photostrom eine überraschende Eigenschaft: Nachdem das Material den Phasenübergang zur ladungsdichten Welle durchlaufen hatte, reagierte es unterschiedlich auf rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht. Dieser Unterschied ist eine eindeutige Signatur der Chiraliät, bekannt als der zirkulare photogalvanische Effekt.
Solch eine Vorzugsrichtung bei der Reaktion auf Polarisation ist ein untrügliches Zeichen dafür, dass im Material gebrochene Inversions- und Spiegelsymmetrien vorliegen. Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt darin, dass es das erste Mal ist, dass ein chiraler Quantenzustand in einem topologischen Material nachgewiesen wurde. Topologische Materialien sind besonders robust gegenüber Störungen und besitzen charakteristische Oberflächenzustände, die für Anwendungen in der Quantenkommunikation und -berechnung interessant sind. Die Fähigkeit, chirale Zustände zu erzeugen und zu kontrollieren, könnte das Schlüsselloch zu neuen Quantenmaterialien und -technologien öffnen. Trotz des messbaren Effekts bleibt die genaue theoretische Erklärung für das Auftreten dieses chiralen Quantenzustands eine offene Herausforderung.
Die Forscher betonen, dass sie zwar die Existenz des Effekts bestätigt haben, jedoch noch kein vollständig ausgereiftes theoretisches Modell vorliegt, das den Mechanismus dahinter umfassend beschreibt. Dies eröffnet ein spannendes Forschungsfeld und motiviert weitere Studien, um besser zu verstehen, wie solche Zustände in komplexen Quantensystemen entstehen, welche Rolle elektronische Wechselwirkungen und topologische Eigenschaften dabei spielen und welche weiteren Materialien ähnliche Effekte zeigen könnten. Die praktischen Anwendungen dieser Entdeckung dürften weitreichend sein. Da chirale Quantenzustände interagieren können mit zirkular polarisiertem Licht und spezifische elektrische Signale erzeugen, könnten sich daraus neue Möglichkeiten für optoelektronische Bauelemente und Photovoltaikanwendungen ergeben. Insbesondere die Entdeckung, dass ein „handiger“ Photostrom erzeugt werden kann, deutet auf effektive Wege hin, Licht in elektrischen Strom mit neuer Effizienz umzuwandeln.
Zudem zeigt sie auf, wie fein abgestimmte Experimente zur Erkennung subtiler Symmetriebrüche in topologischen Materialien genutzt werden können. Diese Forschung steht exemplarisch für die enorme Bedeutung von Symmetrie und deren Bruch in der Physik. Symmetrien sind fundamentale Konzepte, welche die Naturgesetze beschreiben. Sie sind Grundlage für viele physikalische Theorien, von der klassischen Mechanik bis zur Quantenfeldtheorie. Doch gerade die Verletzung von Symmetrien ist es, die zur Entstehung neuer geordneter Phasen und subtile physikalische Phänomene führt.
Der Nachweis von einem chiralen Quantenzustand in einem topologischen Material erweitert nicht nur unser physikalisches Wissen, sondern zeigt die Dynamik jenseits der Symmetrie auf und bestärkt das Verständnis von Emergenz in der Natur. Die eingesetzte neue Messtechnik kombiniert hochmoderne Kristallzüchtung, komplexe Nanofabrikationsmethoden und tiefe experimentelle Fähigkeiten in Tieftemperaturphysik. Diese Vereinigung hat es erst ermöglicht, verborgene Quantenphänomene sichtbar zu machen. Gleichzeitig illustriert sie die Zukunft der Materialwissenschaften, in der multifunktionale Untersuchungsmethoden und interdisziplinäre Ansätze Schlüssel zum Entdecken fundamentaler Phänomene sein werden. Für die Zukunft sind die Perspektiven vielversprechend.
Die Forscher aus Princeton und weltweit werden ihre Untersuchungen auf ähnliche topologische Materialien ausdehnen und versuchen, die Rolle der Chiraliät bei Superleitern, Magnetismus und Quantencomputern zu erforschen. Auch die weitere Verfeinerung der Messtechniken, etwa durch verbesserte Kombinationen aus STM und SPCM oder die Entwicklung neuer optischer Messmethoden, steht auf der Agenda. Die Erkenntnisse könnten in den nächsten Jahren zu einer neuen Generation von Quantengeräten führen, die auf chiralen Zuständen basieren und bisher ungeahnte Funktionalitäten besitzen. Zusammenfassend markiert die Entdeckung des chiralen Quantenzustands in KV₃Sb₅ einen Meilenstein in der modernen Physik. Sie belegt, dass die Quantenwelt noch viele Geheimnisse birgt, die nur darauf warten, mit neuartigen Methoden enthüllt zu werden.
Die Kombination aus Materialwissenschaft, Quantenphysik und innovativen Messtechniken demonstriert eindrucksvoll, wie wissenschaftlicher Fortschritt Grenzen verschiebt. Für die Wissenschaftsgemeinschaft und die technologische Entwicklung stellen solche Entdeckungen einen wertvollen Katalysator dar auf dem Weg zu neuen, faszinierenden Anwendungen und einem tieferen Verständnis der Naturgesetze.
