Forscher der TU Wien haben die Entdeckung eines Quantenmaterials bekannt gegeben, in dem sich Elektronen nicht mehr wie Teilchen verhalten, aber dennoch exotische topologische Zustände aufweisen, was das konventionelle Verständnis der Quantenphysik in Frage stellt. Diese am 15. Januar 2026 veröffentlichte Entdeckung deutet darauf hin, dass topologische Zustände, von denen man bisher annahm, dass sie auf dem teilchenartigen Verhalten von Elektronen beruhen, fundamentaler und weiter verbreitet sind als bisher angenommen.

Seit Jahrzehnten gehen Physiker von der Annahme aus, dass sich Elektronen, obwohl die Quantenmechanik eine Unsicherheit in ihrer Position vorschreibt, im Wesentlichen wie winzige Teilchen verhalten, die sich durch Materialien bewegen. Die neue Forschung zeigt, dass dieses teilchenbasierte Modell keine Voraussetzung für das Auftreten topologischer Zustände ist. Diese Zustände zeichnen sich durch einzigartige Quanteneigenschaften aus, die robust gegenüber Imperfektionen und Störungen sind, was sie für Anwendungen in der fortgeschrittenen Elektronik und im Quantencomputing attraktiv macht.

"Dies ist ein Paradigmenwechsel", sagte Dr. Anna Müller, leitende Forscherin an der TU Wien. "Wir haben gezeigt, dass die zugrunde liegende Physik, die diese Materialien bestimmt, weitaus komplexer ist, als wir ursprünglich angenommen haben. Der Zusammenbruch des Teilchenbildes bedeutet nicht unbedingt das Ende der interessanten Physik; tatsächlich eröffnet er völlig neue Wege für die Forschung."

Die Arbeit des Teams konzentrierte sich auf ein neuartiges Quantenmaterial, das in ihren Labors synthetisiert wurde. Durch eine Kombination aus fortschrittlichen spektroskopischen Techniken und theoretischer Modellierung beobachteten sie, dass sich die Elektronen innerhalb des Materials nicht mehr wie einzelne Teilchen mit wohldefinierten Trajektorien verhielten. Stattdessen ähnelte ihr Verhalten eher kollektiven Anregungen, bei denen die individuellen Identitäten der Elektronen verschwammen. Trotz dieser Abweichung vom teilchenartigen Verhalten wies das Material immer noch robuste topologische Zustände auf.

Die Implikationen dieser Entdeckung erstrecken sich auf die Entwicklung neuer Quantenmaterialien mit massgeschneiderten Eigenschaften. Topologische Materialien werden derzeit für den Einsatz in der Spintronik, im Quantencomputing und in der hocheffizienten Energieumwandlung untersucht. Die Erkenntnis, dass diese Zustände auch dann existieren können, wenn sich Elektronen nicht wie Teilchen verhalten, erweitert den Kreis der Materialien, die für diese Anwendungen in Frage kommen.

"Diese Forschung könnte die Art und Weise, wie wir Quantengeräte entwerfen und herstellen, revolutionieren", erklärte Dr. David Chen, ein Materialwissenschaftler am MIT, der nicht an der Studie beteiligt war. "Indem wir die grundlegenden Prinzipien verstehen, die topologischen Zuständen zugrunde liegen, können wir potenziell Materialien mit beispiellosen Funktionalitäten schaffen."

Das Forschungsteam der TU Wien plant, die Eigenschaften dieses neuartigen Materials weiter zu untersuchen und andere Systeme zu erforschen, in denen das Teilchenbild zusammenbricht. Sie arbeiten auch an der Entwicklung neuer theoretischer Rahmenbedingungen, um das Auftreten topologischer Zustände in diesen exotischen Materialien besser zu verstehen. Der nächste Schritt ist die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um das Potenzial für kommerzielle Anwendungen dieser Erkenntnisse zu untersuchen, insbesondere bei der Entwicklung robusterer und effizienterer Quantencomputerarchitekturen.