Controleren hoe elektronen door een materiaal ritselen, is van cruciaal belang om nieuwe elektronische apparaten te bouwen. Hoe de elektronische beweging wordt beïnvloed door magnetische velden is een oud probleem dat nog niet volledig is opgelost, maar heeft al geleid tot meerdere Nobelprijzen voor natuurkunde. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg hebben een van de al lang bestaande problemen in het veld opgelost, namelijk, hoe een bepaalde symmetrie hersteld kan worden. Hun resultaten zijn zojuist gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Elektronen die in een sterk magnetisch veld bewegen, voeren een cirkelvormige beweging uit vanwege de Lorentz-kracht waarop elektromagnetische inductie en de elektromotor zijn gebaseerd. In het kwantumvlak van atomair dunne tweedimensionale materialen, dit leidt tot vreemde kwantumeffecten zoals de integer en de fractioneel gekwantiseerde Hall-effecten, waarin staat dat het aantal door Lorentz afgebogen ladingen niet willekeurig zijn, maar toenemen in discrete (gekwantiseerde) stappen.

Ondanks veel vooruitgang op het gebied, de fundamentele beschrijving van hoe elektronen zich in magnetische velden gedragen, is enigszins onvolledig gebleven. "Er is hier een groot probleem. Laten we zeggen dat ik een gigantische magnetische spoel heb en een veld opwek dat overal in de ruimte hetzelfde is. De elektronen in mijn kwantumblad zouden overal dezelfde kracht moeten voelen, " zegt Vasil Rokaj, doctoraat student in de MPSD-theorieafdeling en hoofdauteur van de studie. "Maar standaard leerboeken die het magnetische veld klassiek behandelen, houden geen rekening met deze fysieke vereiste, " hij voegt toe.

Met een team van onderzoekers onder leiding van MPSD Theory Director Angel Rubio en groepsleiders Michael Ruggenthaler en Michael Sentef, Rokaj en co-auteur Markus Penz gingen op zoek naar nieuwe vergelijkingen die deze tekortkoming zouden oplossen. "We wisten aanvankelijk niet wat we konden verwachten, ", voegt Ruggenthaler toe. "In feite, we waren geïnteresseerd in een ander probleem, namelijk, hoe een gekwantiseerd in plaats van klassiek veld in een zogenaamde holte de elektronische beweging beïnvloedt."

Om dit te behalen, Rokaj moest het formalisme van kwantumelektrodynamica gebruiken, die voor het eerst werd ontwikkeld in de jaren 1930 en 1940 om te beschrijven hoe elektronen en fotonen op elkaar inwerken. Toen Rokaj de vergelijkingen voor de elektronen in de vaste stof opschreef, het team realiseerde zich dat er iets interessants was gebeurd. "Het magnetische veld in een spoel bestaat uit fotonen, dus in principe we zouden met onze nieuwe aanpak ook het oude probleem moeten kunnen beschrijven, " zegt Ruggenthaler. "Verrassend genoeg de kwantumonzekerheid (of fluctuaties) van het veld, waar meestal geen rekening mee wordt gehouden, helpt om de fundamentele symmetrie te herstellen - dat alles hetzelfde zou moeten zijn, waar we ook in de ruimte kijken."

Angel Rubio voegt toe, "Deze inspanningen bewijzen dat we op de goede weg zijn door het probleem op een volledig kwantummanier aan te pakken." Op zijn theorieafdeling veel onderzoekers werken aan het grootschalige probleem van hoe fotonen de eigenschappen van materie veranderen - van nieuwe chemische reacties tot materialen die kunnen helpen bij het bouwen van toekomstige kwantumcomputers. "Dit werk bewijst dat het altijd de moeite waard is om met een frisse blik naar oude problemen te kijken, en om uit te gaan van de basisprincipes, "zegt Rubio. "Ik weet zeker dat er nog meer verrassingen wachten om ontdekt te worden."