Ein Quant als Winkel

Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt. An der TU Wien fand man eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.

Eins durch 137 – das ist eine der wichtigsten Zahlen in der Physik. Es ist der ungefähre Wert der sogenannten Feinstrukturkonstante – einer physikalischen Größe, die in der Atom- und Teilchenphysik eine herausragende Bedeutung hat.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Feinstrukturkonstante zu messen – meistens misst man sie indirekt, man misst andere physikalische Größen und berechnet aus ihnen dann die Feinstrukturkonstante. An der TU Wien wurde nun allerdings ein Experiment durchgeführt, an dem man die Feinstrukturkonstante selbst ablesen kann – und zwar als Winkel.

1/137 – die Kennzahl des Universums

Die Feinstrukturkonstante beschreibt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie gibt an, wie stark geladene Teilchen wie Elektronen auf elektromagnetische Felder reagieren. Hätte die Feinstrukturkonstante einen anderen Wert, würde unser Universum völlig anders aussehen – Atome hätten eine andere Größe, damit würde die gesamte Chemie anders funktionieren, und die Kernfusion in den Sternen würde anders ablaufen.

Eine vieldiskutierte Frage ist auch, ob die Feinstrukturkonstante tatsächlich konstant ist, oder ob es möglich sein könnte, dass sie ihren Wert über Milliarden Jahre hinweg ein bisschen geändert hat.

Nicht ausrechnen, sondern direkt ablesen

„Die meisten wichtigen physikalischen Konstanten haben eine bestimmte Einheit – zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit, die man in der Einheit Meter pro Sekunde angeben kann“, sagt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Bei der Feinstrukturkonstante ist das anders. Sie hat keine Einheit, sie ist einfach nur eine Zahl. Man sagt auch: Sie ist dimensionslos.“

Wenn man die Feinstrukturkonstante messen möchte, ist man trotzdem meistens darauf angewiesen, verschiedene einheitsbehaftete Größen zu messen und aus ihnen dann auf die Feinstrukturkonstante zu schließen. „In unserem Experiment wird hingegen die Feinstrukturkonstante direkt sichtbar“, sagt Andrei Pimenov.

Ein dünner Film dreht das Licht

Ein Laserstrahl wird linear polarisiert – das Licht schwingt exakt in vertikaler Richtung. Dann trifft der Strahl auf eine nur wenige Nanometer dicke Schicht eines speziellen Materials. Dieses Material hat die besondere Eigenschaft, die Polarisationsrichtung des Lichts zu verändern. „Dass ein Material die Polarisation eines Laserstrahls dreht, ist grundsätzlich nichts Ungewöhnliches. Verschiedene Materialien können das, je dicker die Materialschicht, umso stärker wird die Polarisation des Lasers gedreht. Doch wir haben es hier mit einem völlig anderen Effekt zu tun“, erklärt Andrei Pimenov. „In unserem Fall wird die Polarisation nicht kontinuierlich gedreht – sie springt.“

Beim Durchqueren des dünnen Films führt die Polarisationsrichtung des Lichts einen Quantensprung durch. Die Lichtwelle schwingt danach in einer anderen Richtung als vorher. Und wenn man die Größe dieses Sprungs ausrechnet, stellt sich heraus: Das Quantum dieser Winkeländerung ist genau die Feinstrukturkonstante.

„Wir haben damit einen direkten Zugang zu etwas recht Ungewöhnlichem: einem Rotationsquantum“, sagt Andrei Pimenov. „Die Feinstrukturkonstante wird unmittelbar als Winkel sichtbar.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Andrei Pimenov
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
+43 1 58801 13723
andrei.pimenov@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

A. Shuvaev et al., Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect, Applied Physics Letters 121, 193101 (2022). https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0105159

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