Widerstandslos hüpfende Elektronen

  • 09. September 2015

Auf dem Weg zum Suprastrom: Grundbausteins eines Hundschen Metalls hergestellt.

Die elektronischen Eigenschaften von Festkörper-Materialien beruhen auf den Eigenschaften der Elektronen, die in den Atomen gebunden sind. Der deutsche Physiker Friedrich Hund stellte bereits vor fast neunzig Jahren fest, dass die Besetzung der Atom-Orbitale mit Elektronen, die durch deren gegen­seitige Abstoßung dominiert ist, auch zu einer bemerkenswerten Ordnung des Spins der Elektronen führt: Alle Elektronen in einem Atom tendieren dazu, mit demselben Drehsinn zu rotieren.

Hundsches Metall

Abb.: Besetzung von fünf Atom-Orbitalen (Boxen) mit fünf oder sechs Elektronen, deren Spin nach oben (magenta-farbene Pfeile) oder nach unten (cyan-farbene Pfeile) zeigen kann, gemäß der Hundschen Regel (links). Rastertunnelmikroskopische Abbildung eines Eisenatoms (Kegel mit roter Spitze) und dreier Eisen-Wasserstoff-Moleküle (Kegel mit gelben Spitzen) auf der Oberfläche von Platin (Mitte). Der Wasserstoff des rechts unten liegenden Eisen-Wasserstoff-Moleküls wurde mit Hilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops entfernt (rechts, Bild: U. Hamburg).

Da der elektrische Strom in elektronischen Bauteilen aus von einem zum anderen Atom hüpfenden Elektronen besteht, könnte die Gleichrichtung der Elektronen-Spins einen beträchtlichen Einfluss auf die elektronischen Eigen­schaften des Bauteils haben. Metallische Materialien, in denen die Elek­tronen­­bewegung tatsächlich durch die Hundsche Regel dominiert wird, heißen Hundsche Metalle. Theoretische Studien haben unlängst gezeigt, dass sich die Elektronen in einer in den letzten Jahren intensiv studierten Materialklasse der Hochtemperatur-Supraleiter in der Tat wie in einem Hund­schen Metall verhalten. In diesen Materialien hüpfen die Elektronen ohne Widerstand von Atom zu Atom und können daher ohne Energieverlust durch das Material fließen.

Bisher überlebt dieser Suprastrom nur bei sehr tiefen Temperaturen. Wissen­schaftler suchen daher nach neuen Materialien, in denen der Suprastrom bei normalen Umgebungstemperaturen überlebt. Die Entdeckung solch eines Materials würde einige der drängendsten Probleme unseres Zeitalters der Informationstechnologie lösen. Allerdings müssen für eine zielgerichtete Suche nach solchen Materialen die Grundbausteine der Hundschen Metalle erst einmal genauer verstanden werden.

Einem internationalen Forscherteam unter maßgeblicher Beteiligung der Uni Hamburg ist es nun gelungen, den kleinsten Bestandteil eines Hundschen Metalls, eine Hund­sche Störstelle, gezielt herzustellen. Die erzeugte Hund­sche Störstelle besteht aus einem Eisen-Wasserstoff-Molekül, welches auf die Oberfläche eines Platinkristalls aufgebracht wurde. Die Wissenschaftler waren sogar in der Lage, den Wasserstoff von solch einer Hundschen Stör­stelle abzuspalten, indem sie die Spitze eines Rastertunnelmikroskops als Werkzeug benutzten. Dabei stellte das Team fest, dass der Wasserstoff in der Hundschen Störstelle einen sehr starken Einfluss auf deren elektronische Eigenschaften hat, der durch Vergleich der experimentellen Daten mit fortgeschrittenen Computersimulationen eingehend studiert wurde.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher viele solcher Hundschen Störstellen koppeln, indem sie viele Eisen-Wasserstoff-Moleküle mit Hilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops zusammenfügen. Wenn das klappt, könnten sie ein Hundsches Metall Atom für Atom aufbauen. Eine genaue Untersuchung der Eigenschaften dieses Modellsystems wird wichtige Ein­sichten für die zielgerichtete Suche nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern gestatten.

UHH / RK

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