Hochreine Plattform als Basis für das Experiment

Im Zentrum des Versuchs stand ein zweidimensionales Elektronengas, das am Lehrstuhl von Prof. Dr. Andreas Wieck an der Ruhr-Universität Bochum unter der Leitung von Dr. Arne Ludwig mithilfe von Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurde. Diese extrem saubere Plattform ermöglichte es den Kolleginnen und Kollegen des INP Grenoble, elektronische Bauteile mit außergewöhnlich geringem Rauschen zu entwickeln. In diesen Strukturen konnten Elektronen kontrolliert eingefangen und durch akustische Oberflächenwellen gezielt manipuliert werden. Die dabei entstehenden Elektronen-Tröpfchen bestanden jeweils nur aus wenigen Elektronen.

Mit Methoden aus der Hochenergiephysik untersuchte das Team, wie sich diese Tröpfchen an einer Y-förmigen Verzweigung auf dem Chip verhalten.

Gemeinsam unterwegs: Kollektives Verhalten in kleinsten Dimensionen

Bereits bei nur drei bis fünf Elektronen konnten die Forschenden ein deutlich kollektives Verhalten beobachten. In diesem Zustand bewegten sich die Teilchen nicht mehr unabhängig voneinander, sondern agierten gemeinsam – ein Verhalten, das bisher aus viel größeren Systemen bekannt ist. Das Forschungsteam sieht darin eine Analogie zur Quark-Gluon-Materie, die sonst nur in den größten Teilchenbeschleunigern der Welt erzeugt werden kann.

„Wir sehen einzigartige Anzeichen, dass kollektives Verhalten – das normalerweise bei Tausenden oder Millionen von Teilchen beobachtet wird – auch mit wenigen Elektronen auftritt“, erklärt das Team. „Das spiegelt die nicht komprimierbare flüssige Phase von Hadronen wider, die durch Kernkräfte gebunden sind – aber jetzt auf einem Chip und bei ultra-niedrigen Energien.“

Theoretische Einordnung aus Lettland

Begleitende theoretische Arbeiten an der Universität Lettland lieferten wertvolle Hinweise zur Interpretation der Messergebnisse. Sie zeigten, dass die beobachtete Elektronen-Antibündelung als eine Form der antiferromagnetischen Ordnung aufgefasst werden kann.

Diese Erkenntnisse sind nicht nur ein bedeutender Schritt für das Verständnis stark korrelierter Elektronensysteme und der Quantenelektronenoptik, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Simulation physikalischer Phänomene wie der Quark-Gluon-Materie – und das mit chipbasierten Systemen.

Die Möglichkeit, kollektive Phänomene in so kleinen Systemen gezielt zu erzeugen und zu analysieren, könnte langfristig erheblichen Einfluss auf die Entwicklung von Quantentechnologien haben.

Wie können Fortschritte in der Materialentwicklung, Gerätetechnik und  theoretischen Physik zusammenwirken?

Für die Zukunft plant das Forschungsteam, die entwickelte Methode weiter zu verfeinern. Ziel ist es, noch exotischere korrelierte Zustände zu untersuchen und aufzuzeigen, wie Fortschritte in der Materialentwicklung, der Gerätetechnik und der theoretischen Physik zusammenwirken können, um fundamentale Fragen der modernen Physik zu beantworten.

Originalpublikation:
Shaju, J., Pavlovska, E., et al. (2025). Evidence of Coulomb liquid phase in few-electron droplets. Nature. DOI:10.1038/s41586-025-09139-z

Quelle: Ruhr-Universität Bochum