Tunnelblick auf das Spiel der Elektronen

Eine fast perfekte Oberfläche: Die Grafik zeigt einen Schnitt durch eine Ytterbiumrhodiumsilicid-Probe. Zu erkennen ist eine regelmäßig geordnete Schicht von Silicium-Atomen mit einem Defekt, an dem ein Silicium-Atom durch ein größeres Ytterbium-Atom ersetzt ist. In den Probenoberflächen der Dresdener Physiker treten unter rund 30000 Atomen nur 70 Fehlstellen auf – beste Voraussetzungen für aussagekräftige Messungen.

Paare in leitender Funktion
Seit ihrer Entdeckung vor 100 Jahren wecken Supraleiter die Hoffnung, dass sie Strom ohne Verlust leiten könnten. Aber wie verlieren unkonventionelle Supraleiter ihren Widerstand?

Ordnung und Bewegung am quantenkritischen Punkt
Dass sich in einer Ytterbium-Verbindung am Nullpunkt der Temperatur plötzlich die Zahl der Leitungselektronen verringert, gibt Hinweise für eine neue Theorie

Mit Elektronen ist es ähnlich wie mit Fußballmannschaften: Wenn sie so stark zusammenspielen wie die Spieler des FC Barcelona, wird es interessant. Elektronen, die stark miteinander wechselwirken, bringen etwa die Supraleitung, den verlustfreien Stromtransport, hervor. Einen völlig neuen Blick auf das Zusammenspiel von Elektronen wirft nun ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden. Sie haben mit einem Rastertunnelmikroskop den Kondo-Effekt in dem Metall Ytterbiumrhodiumsilicid YbRh₂Si₂ untersucht, das ungepaarte Elektronen und daher magnetische Momente enthält. Dabei schirmen die starken Wechselwirkungen zwischen den Elektronen die magnetischen Momente bei tiefen Temperaturen voneinander ab. Wie diese Abschirmung entsteht, haben die Dresdner Physiker nun beobachtet. Mit ihrer Arbeit belegen sie zudem, wie gut elektronische Prozesse in Festkörpern sich mit Rastertunnelmikroskopen untersuchen lassen.

Erst wenn die Temperatur weit unter den Gefrierpunkt sinkt, wird es in Festkörpern spannend. Denn dann schwingen die Atome langsamer und stören die Bewegung der Elektronen weniger. Die Ladungsträger spüren daher viel stärker die Kräfte untereinander und stellen fest, dass sie noch ganz andere Möglichkeiten haben als Strom zu leiten oder nicht. Um die elektronischen Prozesse in Festkörpern, die der Chiptechnologie, der Kommunikation oder der modernen Medizintechnik zugrunde liegen, besser zu verstehen, untersuchen Physiker auch diese außergewöhnlichen Effekte, die Elektronen in Festkörpern bei tiefen Temperaturen zeigen. Möglicherweise hilft dieses Verständnis künftig auch, Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen, die für technische Entwicklungen interessant sein könnten.

„Wir öffnen mit unserer aktuellen Arbeit eine Tür, die uns einen völlig neuen Zugang zu vielen elektronischen Phänomenen in Festkörpern verschafft“, sagt Steffen Wirth, der die Studie leitete. An der Untersuchung waren neben den Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme ebenfalls in Dresden und der Technischen Universität Braunschweig beteiligt. Das Team hat das Metall Ytterbiumrhodiumsilicid YbRh₂Si₂ mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht, während sie es allmählich abkühlten.

Das Material bezeichnen Physiker auch als Schwere-Fermionen-Metall. Von Fermionen sprechen Physiker oft, wenn sie bestimmte Eigenschaften der Elektronen meinen. Schwer werden die von Natur aus sehr leichten geladenen Teilchen durch die ungewöhnlichen Effekte, die auf dem starken Zusammenspiel der Elektronen beruhen. Dabei mischen ungepaarte lokalisierte Elektronen mit, die also fest an das Seltene-Erden-Metall Ytterbium gebunden sind. Diese Elektronen können sich in vier Gruppen verschieden geformter 4f-Orbitale aufhalten, helfen beim Stromtransport im Material und tragen magnetische Momente – Eigenschaften, die ihren Reiz für Physiker ausmachen.

Die Dresdner Forscher haben nun bewiesen, dass sich das Zusammenspiel der lokalisierten 4f-Elektronen mit den frei beweglichen Leitungselektronen des Materials mit einem Rastertunnelmikroskop verfolgen lässt. Das verrät ihnen viel über die Ursachen der Effekte und damit über die physikalischen Gesetze in solchen Materialien.

Für ihre Untersuchung positionieren die Forscher die Spitze des Mikroskops über einer Probenoberfläche, die aus extrem ordentlich nebeneinandersitzenden Silicium-Atomen besteht (siehe Hintergrund: Reinheitsgebot für eine Probenoberfläche). Nun messen sie bei verschiedenen Temperaturen, wie der Tunnelstrom von der angelegten Spannung abhängt. Je weiter sie die Probe abkühlen, desto markanter treten in der Strom-Spannungskurve mehrere Hügel sowie ein tiefer Einschnitt hervor. Diese Höhen und Tiefen im gemessenen Strom verraten den Forschern, was mit den Elektronen in dem Material passiert. Allerdings sind die Merkmale der Strom-Spannungskurve nicht immer einfach zu interpretieren.