Rasend schnell im Weyl-Metall

  • 23. June 2015

Material mit superschnellen Elektronen und Riesenmagneto-Widerstand für elektronische Bauteile.

Das Design elektronischer Bauteile könnte sich künftig wesentlich vereinfachen. Wissenschaftler einer internationalen Kooperation um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden haben entdeckt, dass der elektrische Widerstand einer Verbindung aus Niob und Phosphor extrem steigt, wenn ein starkes Magnetfeld an dem Material anliegt. Dieser Riesenmagneto-Widerstand, dem moderne Festplatten ihre hohe Speicherkapazität verdanken, ist bisher vor allem von komplex strukturierten Materialien bekannt. Niobphosphid oder ein Material mit ähnlichen Eigenschaften kommt als Alternative in Frage, die sich leichter herstellen lässt.

Abb.: Die Ladungsträger (blau: Elektronen, rot: Löcher) eines Leiters werden durch das Magnetfeld (schwarze Pfeile) von ihrer ursprünglichen Stromrichtung (grüner Pfeil) abgelenkt. (Bild: Y. Chen)

Abb.: Die Ladungsträger (blau: Elektronen, rot: Löcher) eines Leiters werden durch das Magnetfeld (schwarze Pfeile) von ihrer ursprünglichen Stromrichtung (grüner Pfeil) abgelenkt. (Bild: Y. Chen)


Der Widerstand von Niobphosphid ändert sich in einem Magnetfeld so drastisch, weil das Feld die Ladungsträger durch die sogenannte Lorentzkraft ablenkt. Diese Kraft führt dazu, dass bei steigendem Magnetfeld ein immer größerer Teil der Elektronen gewissermaßen in die falsche Richtung fließt. Dadurch wächst der elektrische Widerstand. Aus diesem Grund heißt diese Eigenschaft, die manche Materialien aufweisen, Magneto-Widerstand.

„Die Lorentzkraft und damit der Einfluss eines Magnetfeldes ist umso größer, je schneller sich die Elektronen im Material bewegen“, erläutert Binghai Yan vom MPI CPfS. Er und seine Kollegen kamen deshalb auf die Idee, eine Verbindung aus dem Übergangsmetall Niob und Phosphor zu untersuchen. In diesem Material gibt es superschnelle Ladungsträger, sogenannte relativistische Elektronen. Diese bewegen sich mit etwa einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit – 300 Kilometer pro Sekunde.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler neben dem Hochfeld-Magnetlabor Dresden auch das High Field Magnet Laboratory an der Radboud University in Nimwegen, Niederlande, und die Diamond Light Source in Oxfordshire, England. Die Wissenschaftler fanden dabei auch heraus, weshalb die Elektronen so extrem schnell und beweglich sind. Für die exotischen Eigenschaften sind nämlich spezielle elektronische Zustände in Niobphosphid verantwortlich: Einige Elektronen in diesem sogenannten Weyl-Metall verhalten sich, als seien sie masselos. Sie können sich daher besonders schnell bewegen.

Binghai Yan ist überzeugt: „Der Effekt, den wir in Niobphosphid entdeckt haben, kann durch geschicktes Materialdesign sicher noch verbessert werden. Diese Materialklasse hat daher enormes Potential für künftige Anwendungen in der Informationstechnologie.”

MPI CPfS / PH

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