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Topologe sagt neue Form der Materie voraus
1970 machte ein junger Physiker, der in der Sowjetunion arbeitete, eine kontraintuitive Vorhersage. Vitaly Efimov, jetzt an der University of Washington in den USA, zeigte, dass sich Quantenobjekte, die sich nicht zu Paaren bilden können, dennoch zu Tripletts bilden können.
2006 fand eine Gruppe in Österreich das erste Beispiel für einen solchen sogenannten Efimov-Zustand in einem kalten Gas aus Cäsiumatomen.
Das ist rätselhaft. Sicherlich sind die Bindungen, die Tripletts zusammenhalten, dieselben wie die, die Paare binden. Nicht wirklich! Es stellt sich heraus, dass es einen subtilen, aber wichtigen Unterschied gibt, der diese Bindungen völlig anders macht.
Heute macht Nils Baas von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie eine weitere verblüffende Vorhersage. Er sagt, dass die seltsamen, weltfremden Bindungen, die es Cäsiumatomen ermöglichen, zu Tripletts zusammenzukleben, auch die Bildung viel komplexerer Objekte ermöglichen sollten. Tatsächlich sagt er, dass wir kurz davor stehen, eine brandneue Form von Materie zu entdecken, die von einem völlig neuen Zweig der Physik beherrscht wird.
Hinter diesem seltsamen Ergebnis verbirgt sich ein Zweig der Mathematik namens Topologie, das Studium der Form. Die Topologie befasst sich insbesondere mit den Eigenschaften der Form, die erhalten bleiben, wenn ein Objekt gequetscht, gedehnt und geschlagen, aber nicht zerrissen wird.
Ein nützliches Beispiel ist der berühmte Borromäische Ring, der oben links gezeigt wird. Es besteht aus drei Kreisen, die so miteinander verflochten sind, dass das Schneiden eines die anderen beiden freigibt.
Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass die Kreise in einer flachen 2-dimensionalen Ebene keinen Borromäischen Ring bilden können. Aber führen Sie eine dritte Dimension ein und plötzlich können die Kreise auf diese Weise verbunden werden. Natürlich wäre jeder Flachländer, der in dieser 2D-Ebene lebt, von dieser Eigenschaft völlig verwirrt.
Es stellt sich heraus, dass es eine formale mathematische Analogie zwischen dem Borromäischen Ring und den seltsamen Cäsiumtripeln gibt, die Efimov vorhersagte. Die Mathematik der Quantenmechanik und der Topologie erweist sich als die gleiche.
Aber hier ist die Sache: Die Bindungen, die aus der Topologie der Quantenmechanik hervorgehen, sind völlig weltfremd. Während gewöhnliche Materie, das Zeug, auf das man mit den Fingerknöcheln klopft, eindeutig auf drei Dimensionen beschränkt ist, existiert die Mathematik der Quantenmechanik in ganz anderen Dimensionen. Und in diesem Raum bilden sich die Borromäischen Ringe.
Das Ergebnis ist eine Art Parallelphysik, in der die Gesetze des Verhaltens in diesem Paralleluniversum einen unausweichlichen, geisterhaften Griff auf unser eigenes Universum ausüben.
Und es sind nicht nur die Bindungen zwischen Atomen, die betroffen sind. Physiker beginnen, Leiter und Isolatoren zu bauen, in denen die Bewegung der Elektronen durch die Topologie der Quantenmechanik bestimmt wird. Sogenannte topologische Isolatoren sind derzeit ein großes Thema in der Festkörperphysik.
Und die Topologie ist dabei, ihren Einfluss auszudehnen, wenn es nach Baas geht. Er weist darauf hin, dass Borromäische Ringe nur das einfachste Beispiel für ein ganzes Periodensystem topologischer Strukturen sind. Und wenn es möglich ist, Efimov-Zustände zu erzeugen, die Borromäischen Ringen entsprechen, dann sollte es möglich sein, auch die anderen zu machen.
Diese Stofffamilie wird ein neuer Aggregatzustand sein, der von Nachrichtenregeln bestimmt wird, einer Art Efimov-Physik.
Wie könnte sich dieses Zeug verhalten? Das ist noch nicht klar, aber Baas weist auf eine interessante Möglichkeit hin. Die tiefe und weltfremde Verbindung zwischen Teilchen in Efimov-Zuständen ist der Quantenverschränkung bemerkenswert ähnlich.
Niemand ist sich ganz sicher, ob sie identisch sind, aber wenn sie es sind, wird die Efimov-Physik eine neue Möglichkeit bieten, über Verschränkung nachzudenken und wie man sie erzeugt und ausnutzt. Das wird wichtige Implikationen für Kryptographie, Informatik und Informationswissenschaft im Allgemeinen haben.
Der Physik-Nobelpreisträger Murray Gell-Mann hat einmal gesagt: Alles, was nicht verboten ist, ist obligatorisch. Er bezog sich auf die Art und Weise, wie Teilchen in der Quantenmechanik wechselwirken. Mit anderen Worten, wenn es keinen Grund gibt, warum Teilchen nicht auf eine bestimmte Weise interagieren können, müssen sie auf diese Weise interagieren.
Es sieht so aus, als ob wir gleich sehen würden, wie tiefgreifend und weitreichend diese Aussage wirklich war.
Ref: arxiv.org/abs/1012.2698 : Neue Aggregatzustände durch neue topologische Strukturen vorgeschlagen