Preisträger

Metalle jenseits von Sommerfeld und Landau

Quasiteilchen an quantenkritischen Punkten

  • Peter Wölfle
  • 09 / 2013 Seite: 67

In der Festkörperphysik hat sich das Konzept von Quasiteilchen als äußerst fruchtbar erwiesen. Damit gelingt es, das komplizierte Vielteilchensystem der Elektronen in Metallen auf ein Fermi-Gas von Quasi­teilchen mit effektiven Massen zu reduzieren. Eine Erweiterung dieses Konzeptes erlaubt es sogar, die komplexen Eigenschaften von „Schwere-Fermionen-Verbindungen“ in der Nähe eines Quantenphasen­übergangs zu verstehen.

Erst die Quantentheorie hat es erlaubt, die Eigen­schaften von Metallen zu verstehen. Arnold Sommerfeld schlug 1926 vor, das System der Leitungselektronen in Metallen als entartetes Fermi-Gas aufzufassen, dessen Fermi-Temperatur TF mit rund 104 K weit oberhalb der Raumtemperatur liegt. Daraus lassen sich Eigenschaften wie die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme CV (proportional zu T) oder der magnetischen Suszeptibilität χ (unabhängig von T) ableiten, die allgemein als Kennzeichen metallischen Verhaltens dienen. Allerdings leuchtet nicht sofort ein, warum die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen nur eine geringe Rolle spielen soll. Immerhin ist die entsprechende Ener­gieskala durch die Bindungsenergie des Wasserstoffatoms charakterisiert, die einer Temperatur von 105 K entspricht! Nun schirmen in Metallen die umgebenden Elektronen zwar die Coulomb-Wechselwirkung zwischen zwei Leitungselektronen ab, aber die verbleibende Energieskala ist immer noch von der Größenordnung von TF. Des Rätsels Lösung gab Lew D. Landau 1957, als er zuerst phänomenologisch postulierte und später mikroskopisch begründete, dass es in Metallen wohldefinierte Anregungungen mit fermionischem Charakter gibt. Diese Landau-Quasiteilchen bilden näherungsweise ein Fermi-Gas. Die effektive Masse m* eines Quasiteilchens ist ein wichtiger Parameter der Theorie, der z. B. die Zustandsdichte an der Fermi-Kante renormiert, N(EF) ∝  m* . Damit sind auch thermodynamische Ableitungen wie CV oder χ proportional zu m*. ...

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