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Theoretische Physik III

Schwarze Löcher treffen auf Festkörperphysik

Fortschritt in der Wissenschaft kann insbesondere dann erzielt werden, wenn Ideen aus scheinbar sehr unterschiedlichen Forschungsbereichen auf originelle Weise miteinander kombiniert werden. Ein Beispiel dafür ist die neue gemeinsame Publikation der Forschungsgruppen von Johanna Erdmenger und Ronny Thomale in der frei zugänglichen (open source) Zeitschrift Nature Communications, gemeinsam mit Tim Wehling und Erik van Loon von der Universität Bremen. In dieser Arbeit werden theoretische Methoden aus dem Bereich der Quantengravitation verwendet, um die Transporteigenschaften von Elektronen in Quantenmaterialien zu berechnen. Dies wird mit einem Vorschlag für ein neues Material kombiniert, das diese Eigenschaften aufweisen kann.

Ein aktuelle Herausforderung in der Festkörperphysik ist die Realisierung von stark gekoppelten, viskosen Elektronenflüssigkeiten. Gebräuchliche Methoden, wie z.B. die Fermi-Flüssigkeitstheorie, sind im Bereich starker Kopplung nicht anwendbar. Die Autoren benutzen daher das Konzept der Dualität, nach dem stark gekoppelte Flüssigkeiten äquivalent durch einer Gravitationstheorie mit schwarzem Loch beschrieben werden. Mit diesem Ansatz wurde bereits früher vorhergesagt, dass der Quotient aus Viskosität und Entropie in stark gekoppelten Systemen sehr klein sein muss. In der neuen Veröffentlichung extrapolieren die Autoren dieses Ergebnis zu kleineren Kopplungen. Sie schlagen eine neues Material vor, das sogenannte Scandium-substituierte Herbertsmithite (Sc-Hb), das ein vielversprechender Kandidat zur Realisierung viskosen hydrodynamischen Verhaltens in diesem Kopplungsbereich ist. Dieses Material basiert auf einem Sechseckgitter, nach einer japanischen Flechtkunst Kagome-Gitter genannt. Bei diesem Material liegt die Fermi-Fläche genau am Dirac-Punkt, an dem sich zwei Elektronenbänder berühren, so dass eine effektive Beschreibung durch die Relativitätstheorie möglich ist. Die neu berechnete effektive Elektronenkopplung in Sc-Hb ist um einen Faktor 3,2 größer als in Graphen, das derzeit das am meisten verwendete Material zur Untersuchung von Elektronenflüssigkeiten ist. Dies führt auf eine große Reynolds-Zahl, bei der sogar Turbulenz möglich ist.