Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden, der Princeton Universität, der Universität Illinois und der Universität der chinesischen Akademie der Wissenschaften entdeckten ein bekanntermaßen schwer fassbares Teilchen: Das Axion. Es wurde vor 42 Jahren erstmals als Elementarteilchen in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt.

Das Team fand Signaturen von Axion-Teilchen, die aus Weyl-Elektronen im korrelierten topologischen Halbmetall (TaSe₄)₂I bestehen. Bei Raumtemperatur ist (TaSe₄)₂I ein eindimensionaler Kristall. Dieser Kristal enthält Weyl Fermion-artig Elektronen, die elektrischen Strom leiten. Durch Abkühlen von (TaSe₄)₂I unter -11 °C kondensieren diese Elektronen selbst zu einem Kristall – einer sogenannten „Ladungsdichtewelle“ –, die das darunterliegende Kristallgitter der Atome verzerrt. Die anfänglich freien Weyl-Fermionen sind nun lokalisiert. Das Weyl-Halbmetall (TaSe₄)₂I wird zu einem Axion-Isolator. Ähnlich wie in metallischen atomaren Kristallen freie Elektronen existieren, beherbergt der elektronische „Ladungsdichtewellen“-Kristall auf Weyl-Halbmetallbasis freie Axionen, die elektrischen Strom leiten können. Solche Axion-Teilchen verhalten sich jedoch ganz anders als die bekannteren Elektronen. Wenn diese parallelen elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt sind, erzeugen sie einen anormalen positiven Beitrag zur magnetoelektrischen Leitfähigkeit.

Basierend auf Vorhersagen von Andrei Bernevigs Gruppe an der Princeton Universität, stellte die Gruppe von Claudia Felser in Dresden das Ladungsdichtewellen-Weyl-Halbmetall (TaSe₄)₂I her. Währenddessen erforschten sie auch die elektrische Leitung in diesem Material unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass der elektrische Strom in diesem Material unter -11 °C tatsächlich von Axion-Teilchen getragen wird.

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Foto ©MPI CPfS: Schema eines Weyl-Halbmetall-basierten Axion Isolators.