Wie magnetische Atome untereinander konkurrieren

  • 13. November 2014

Durch Erhöhen der Zahl von Störstellen in bestimmten Kristallen entsteht ein Wettbewerb um die Anordnung der Elektronen.

Die physikalischen Eigenschaften aller Materialien, insbesondere der magnetischen, werden maßgeblich durch die komplexen Wechselwirkungen von Elektronen untereinander bestimmt. Das Hinzufügen geringster Mengen magnetischer Atome wie Eisen zu einem Kupferkristall führt bereits dazu, dass sich die elektrische Leitfähigkeit unterhalb einer bestimmten Temperatur drastisch erhöht und der sogenannte Kondo-Effekt auftritt. Erhöht man nun die Zahl der magnetischen Störstellen weiter, entsteht ein Wettbewerb um die Anordnung der Elektronen um die Magneten. Wissenschaftlern der Universität Göttingen und dem Forschungszentrum Jülich ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis des Wechselspiels dieser Ordnungsprozesse gelungen.

Die Anordnung der Elektronen in Kupfer an zwei Eisenatomen, die fünf Atomlagen tief unter der Oberfläche vergraben sind, zeigt sich in der Messung als Wellenmuster. (Bild: GAU)

Abb.: Die Anordnung der Elektronen in Kupfer an zwei Eisenatomen, die fünf Atomlagen tief unter der Oberfläche vergraben sind, zeigt sich in der Messung als Wellenmuster. (Bild: GAU)

Die Wissenschaftler verwendeten bei ihren Untersuchungen am IV. Physikalischen Institut und am Institut für Theoretische Physik der Universität Göttingen Paare von Eisenatomen, die sie mehrere atomare Lagen tief unter einer Kupferoberfläche vergruben. „Das Wechselspiel kann durch ein stehendes Wellenmuster der Elektronen, welches sich zwischen den beiden Störstellen ausbildet, untersucht werden“, erklärt Martin Wenderoth. Die Forscher konnten dieses Wellenmuster mit Hilfe ihres selbst entwickelten Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops sichtbar machen. „Dabei zeigt sich, dass verschiedene atomare Anordnungen der beiden magnetischen Atome ein charakteristisches Muster der Elektronenwellen an der Oberfläche zeigen, das das Ergebnis der gekoppelten Ordnung widerspiegelt“, so Wenderoth.

In ihrem Untersuchungsaufbau haben die Forscher die Zahl der magnetischen Störstellen nach und nach so weit erhöht, bis für das System ein gewisses Dilemma entsteht: Jede magnetische Störstelle möchte die Elektronen so ordnen, dass es für sie und ihre Umgebung optimal ist. Bei gewissen Abständen der Eisenatome ist dies aber nicht zu realisieren, es entsteht ein Wettbewerb verschiedener Ordnungsprozesse. Dabei kommt neben der Kondo-Ordnung eine zusätzliche magnetische Ordnung ins Spiel, die nach ihren Entdeckern Rudermann, Kittel, Kasuya und Yosida RKKY-Wechselwirkung heißt und die Wechselwirkung zweier magnetischer Atome beschreibt.

„Unsere Ergebnisse stellen eine Basis für das Verständnis komplexerer Systeme dar. Im Allgemeinen versteht man das Wechselspiel von Ordnungsphänomenen als Ausgangspunkt für die Bildung neuer elektronischer Zustände. Viele dieser Systeme zeigen bei tiefen Temperaturen ungewöhnliche Eigenschaften, wie zum Beispiel in der Supraleitung, wobei viele Fragen über deren Entstehung heute noch offen sind“, so Wenderoth.

GAU / OD

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