// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Quantenmaterialien könnten leichte Dunkle Materie besser aufspüren
Neue Spürstoffe für Unsichtbares: Drei ungewöhnliche Quantenmaterialien könnten die Suche nach sehr leichter Dunkler Materie deutlich empfindlicher machen. Simulationen zufolge verstärken ihre niederenergetischen Elektronenschwingungen die erwarteten Wechselwirkungssignale und erweitern so den erreichbaren Parameterraum um mehrere Größenordnungen. Zugleich könnte die richtungsabhängige Reaktion der Kristalle ein täglich wechselndes Signal liefern, das sich von Hintergrundereignissen unterscheiden lässt.
Jerusalem (Israel). Dunkle Materie verrät sich bislang nur durch ihre Schwerkraft, direkte Teilchensignale sind trotz jahrzehntelanger Suche ausgeblieben. Besonders schwer aufzuspüren wären sehr leichte Kandidaten unterhalb der Megaelektronenvolt-Skala, weil sie bei einer Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie nur winzige Energiemengen übertragen. Herkömmliche Detektormaterialien reagieren auf solche schwachen Anregungen oft nicht empfindlich genug.
Ein möglicher Ausweg liegt in Festkörpern, deren Elektronen bereits bei sehr kleinen Energien kollektiv reagieren. Solche Materialien können Anregungen im Milli-Elektronenvoltbereich besonders stark aufnehmen, also dort, wo Signale leichter Dunkler Materie erwartet werden. Entscheidend ist dabei nicht nur eine niedrige Nachweisschwelle, sondern auch, wie stark das Material auf den übertragenen Impuls und die Einfallsrichtung reagiert.
Das Team hat deshalb drei sehr unterschiedliche Kandidaten untersucht: Titandiselenid (TiSe₂), Strontiumruthenat (Sr₂RuO₄) und mit Elektronenlöchern dotierten Diamant. Gemeinsam ist ihnen, dass ihre Elektronen niederenergetische kollektive Schwingungen bilden, sogenannte Plasmonen oder verwandte Moden. Trifft Dunkle Materie auf die Elektronen im Kristall, können diese Anregungen die Antwort des Materials auf den winzigen Energietransfer deutlich verstärken.
Für die Berechnungen bestimmten die Forscher die elektronischen Verlustfunktionen der drei Materialien mit Dichtefunktionaltheorie aus ersten Prinzipien. Dabei berücksichtigten sie nicht nur verschwindend kleine, sondern auch endliche Impulsüberträge. Aus diesen Materialeigenschaften berechneten sie anschließend, wie empfindlich hypothetische Detektoren für die Streuung Dunkler Materie an Elektronen und für die Absorption sehr leichter dunkler Photonen wären.
Die Projektionen zeigen für alle drei Materialien Bereiche, in denen sie etablierte Vergleichskandidaten übertreffen könnten. Besonders deutlich fällt der Effekt bei TiSe₂ aus. Für die Elektronenstreuung liegt seine berechnete Reichweite über einen breiten Bereich der untersuchten Teilchenmassen hinweg bis zu zwei Größenordnungen über supraleitendem Aluminium und bis zu drei über den besten Vergleichsmaterialien aus einer großen Materialdatenbank.
Das ist jedoch noch kein gemessener Detektorerfolg. Die Reichweiten beruhen auf theoretisch berechneten Materialantworten und idealisierten Sensitivitätsabschätzungen bei 95 Prozent Konfidenzniveau, für die die Autoren keinen Untergrund annehmen. Bei TiSe₂ verglichen sie ihre Berechnungen außerdem mit optischen Messdaten. Die daraus abgeleiteten Streuraten stimmen gut überein, bei der Absorption weisen die Autoren aber auf bekannte Grenzen des verwendeten Rechenmodells hin.
Ein weiterer Vorteil entsteht durch die anisotrope, also richtungsabhängige Antwort der Kristalle. Da sich die Erde dreht, verändert sich im Tagesverlauf die Orientierung eines Detektors relativ zum erwarteten Strom Dunkler Materie durch die Milchstraße. Dadurch sollte sich auch die berechnete Ereignisrate regelmäßig verändern.
In den Simulationen zeigen alle drei Kandidaten eine ausgeprägte tägliche Modulation. Besonders groß ist sie bei Sr₂RuO₄ und TiSe₂, weil ihre niederenergetischen elektronischen Anregungen entlang verschiedener Kristallachsen sehr unterschiedlich stark sind. Ein solches zeitliches Muster könnte künftig helfen, ein echtes Teilchensignal von Untergrundereignissen ohne dieses Tagesmuster zu unterscheide