Forschung

Kristalle aus Elektronen und Magnonen

29.12.2021 - Jahresrückblick Molekül- und Festkörperphysik 2021.

Eine ganze Reihe lang ersehnter Effekte konnte dieses Jahr erstmals verifiziert werden. Ein besonderer Zustand von Elektronen in Materie wurde schon vor rund neunzig Jahren vorhergesagt, entzog sich bislang jedoch dem Nachweis. Nun ist dieser geglückt: Ein Forschungsteam hat Wigner-Kristalle aus Elektronen in Molybdän­diselenid entdeckt. Wenn ihre Bewegungs­energie bei extrem tiefen Temperaturen niedrig genug ist, bilden die Elektronen aufgrund ihrer wechselseitigen Abstoßung ein regelmäßiges, kristallförmiges Gitter, wie die Forscher über die Anregung von Exzitonen herausfanden. Ebenfalls erstmals nachgewiesen wurde die Wannier-Stark-Lokalisierung in einem Polykristall. In Monokristallen war diese schon bekannt, doch nun gelang auch die Bestätigung dieses vor achtzig Jahren postulierten Effekts in einem Perowskit. Mit Feldstärken deutlich über denen bei einem Blitzschlag werden chemische Bindungen im Festkörper für sehr kurze Zeit ausgeschaltet, was zu großen optischen Nicht-Linearitäten führt.

Einen weiteren ungewöhnlichen Materie­zustand konnte ein anderes Forschungs­team dingfest machen. Wenn Licht in einem Hohlraum über einem passenden Material eingefangen wird, kann ein Drei-Komponenten-Quanten­system aus Photonen, Exzitonen und Phononen entstehen – ein Phonoriton ist geboren. Dieses Licht-Materie-Hybrid­teilchen wurde schon vor drei Jahrzehnten vorhergesagt und konnte nun nachgewiesen werden. In hexagonalen Bornitrid-Schichten zeigten sich ebenfalls interessante Schwingungen. Ultraschnelle transversale optische Phononen koppeln direkt an eine Bewegung der Schichten gegeneinander. Diese Kopplung bewirkt eine Frequenzverschiebung der optischen Phononen, was für optoelektronische Anwendungen bei höchsten Frequenzen nützlich sein könnte.

Die alte japanische Flechtkunst Kagome hat auch die Gestaltung von Graphen inspiriert. Auf einer Silber­oberfläche entstand so Kagome-Graphen in einem regelmäßigen Muster aus Sechsecken und gleichseitigen Dreiecken. Dieses wies eine flache Bandstruktur und schaltbare halbleitende Eigenschaften auf. Solche Techniken werden für effiziente und nachhaltige elektronische Komponenten immer interessanter. Nicht der Flechtkunst, sondern der Hoch­druckpresse entsprang der neu entdeckte Stoff Beryllonitren, der aus regelmäßig in Fünf- und Sechsecken angeordneten Stickstoff- und Beryllium-Atomen besteht. Bei etwa millionenfachem Atmosphärendruck bildete sich dieses neuartige zweidimensionale Material, das auch bei Umgebungs­bedingungen existieren kann. Ein weiteres Quantenmaterial, allerdings in dreieckiger, Honigwaben-förmiger Struktur aufgebaut, ließ sich aus Indium herstellen. Dieses Indenen besteht aus nur einer Atomlage und gehört zu den topologischen Isolatoren. Es benötigt Schutz vor Luft, besitzt jedoch vielversprechende Eigenschaften als Quantenmaterial der Zukunft.

Das Gebiet der topologischen Effekte ist in den letzten Jahren nicht nur rasant gewachsen, sondern hat sich auch weiter differenziert. Nun ließen sich erstmals optische Weyl-Punkte in einem photonischen Kristall mit Hilfe von Infrarotlicht abbilden. Den Kristall stellten die Forscher mit einem speziellen 3D-Drucker her. Hier zeigte sich, wie Entwicklungen auf einem Gebiet der Technologie in ganz anderen Bereichen zu Innovationen führen kann. Topologische Weyl-Punkte sind sehr robust gegen äußerliche Einflüsse und stehen deshalb im Fokus vieler Untersuchungen. Als sehr robust erwies sich auch ein Mangan-haltiger topologischer Isolator, der bis zu Temperaturen von knapp fünfzig Kelvin ferromagnetisch bleiben kann. Solche Materialien sind nicht nur für die Spintronik oder als Quantenbits interessant, sondern auch für die Präzisions-Metrologie. Bei Nanodrähten zeigte sich allerdings, dass es einigen topologischen Materialien nicht gut bekommt, wenn man sie zu eng in Kontakt bringt. So müssen Nanodrähte aus Blei-Zinn-Selenid einen Mindest­abstand von 25 Nanometern einhalten, weil sie darunter ihre besondere Eigenschaft verlieren, Strom verlustfrei leiten zu können. Unterhalb von zehn Nanometern verlieren sie ihre topologischen Eigenschaften vollständig.

Beim Quanten-Hall-Effekt in ultrakaltem Zirkonium-Penta-Tellurid konnten Forscher entgegen früherer Erwartungen einen ungewöhnlichen Effekt beobachten. In diesem topologischen Material bewegen sich die Elektronen im Volumen in einer Helixspirale, während andere Elektronen sozusagen Schlange stehen und auf ihren Einsatz warten. In einem anderen topologischen Isolator konnten Forscher die Bewegungs­richtung von Elektronen an der Oberfläche mit Hilfe eines Lichtpulses umdrehen. Dabei entsteht ein Lichtblitz. Wenn man das beschleunigende Lichtfeld geschickt wählt, lässt sich hierbei sogar Licht jeder erdenklichen Farbe erzeugen. Wie die theoretische Analyse ergab, bewegen sich die Elektronen in der Oberfläche nicht auf geraden Bahnen, sondern in Schlangenlinien.

Wenn man Elektronen in einem topologischen Isolator hingegen mit Terahertz-Pulsen aufschreckt, reagieren sie je nach Standort unterschiedlich. Die Oberflächen-Elektronen kehrten schon nach wenigen hundert Femto­sekunden in ihren ursprünglichen energetischen Zustand zurück. Bei den inneren Elektronen dauerte dies jedoch rund zehnmal so lange, also einige Pikosekunden. Solche Methoden sind für die Entwicklung von Frequenz­vervielfachern in der Terahertz-Technik von Bedeutung. Von besonderem Interesse als topologische Qubits in Quantencomputern sind Majorana-Nullmoden in Nanodrähten. Dabei kommt es aber leicht zu Fehl­interpretationen, wie eine Kollaboration nachweisen konnte. Denn die im inneren Nanodraht auftretenden Quantenpunkte können mit denen im beschichteten Supraleiter nebenan in Wechselwirkung treten und dadurch das Signal einer Majorana-Nullmode vortäuschen.

Mit einem Rasterkraftmikroskop kann man nicht nur messen. Mit einem neuen Verfahren lässt sich die Spitze eines solchen Mikroskops auch nutzen, um organische Nanoarchitekturen Molekül für Molekül zusammenzusetzen. Damit lassen sich chemische Reaktionen schrittweise herbeiführen und studieren. Ein spannendes Modellsystem für Quantenmagnetismus sind Quanten-Spinketten. Eine solche Quanten-Spinketten aus Kohlenstoff konnten Forscher nun mit dem aromatischen Kohlenwasserstoffmolekül Triangulen zusammengebaut. In der Tat verhielten sich die Bausteine an den Enden dieser Kette trotz ihres ganzzahligen Spins wie Objekte mit halbzahligem Spin. Einen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen, also quantisierten Spinwellen, konnte ein anderes Forschungsteam nicht nur herstellen, sondern auch per Rasterröntgenmikroskop als Video filmen. Dazu legten sie ihr magnetisches Material auf eine mikroskopische Antenne, durch die sie einen hochfrequenten Strom leiteten, was zu quanten­typischer Interferenz führte. Bei einem anderen Experiment zeigte ein nanostrukturierter antiferromagnetischer Draht hingegen besonderes Talent, logische Operationen durchzuführen. Die speziellen Magnonen in diesem Material ermöglichen besonders zuverlässige, schnelle und energiesparende Operationen.

Für den Hall-Effekt muss nicht unbedingt ein Magnetfeld anliegen. Ein exotisches Halbmetall aus Cer, Bismut und Palladium zeigt einen gigantischen Hall-Effekt, und zwar völlig ohne Magnetfeld. Dies liegt an den außergewöhnlichen Zuständen der Elektronen in diesem Material, die Eigenschaften magnetischer Monopole entsprechen. Eine ebenfalls ungewöhnliche Form von Magnetismus fand sich im ferromagnetischen Supraleiter Strontium­ruthenat. Dort findet eine kollektive Wirbel­bewegung wechsel­wirkender Elektronen statt, die unabhängig neben der Supraleitfähigkeit existiert. In doppellagigem Graphen treten ebenfalls interessante magnetische Effekte auf. Dort führt ein intrinsisches Magnetfeld zu einer Quantisierung des elektrischen Widerstands.

Auch auf dem Gebiet der Skyrmionen haben sich neue Möglichkeiten ergeben. Diese magnetischen Mikrowirbel haben das Potenzial, eine Revolution in der Speicher­technologie auszulösen, da sie besonders energiesparend manipuliert werden können. Mit einem neuen Verfahren konnte ein Forscherteam Skyrmionen gezielt erzeugen und vernichten. Dazu nutzten die Wissenschaftler Sup-Pikosekunden-Laserpulse anstelle der sonst üblichen Strompulse. Das Laser-Skyrmion-Schreiben könnte auch als „Skyrmion-Reshuffler“ eingesetzt werden, also zum schnellen Durchmischen von Skyrmionen beim stochastischen Rechnen. Und in einer Metalllegierung fand ein anderes Forschungs­team verdrillte Nanoschnüre aus Skyrmionen. In Legierungen aus Eisen und dem Halbmetall Germanium fanden die Forscher nicht etwa geradlinige Skyrmionen­schnüre, wie sie bislang bekannt waren. Stattdessen waren mehrere nebeneinander liegende Schnüre in unterschiedlichem Ausmaß miteinander verdrillt.

Eine neue Art von Skyrmionen konnten Wissenschaftler in dünnen magnetischen Multischichten nachweisen: Antiskyrmionen erster und zweiter Ordnung. In diesem Materialsystem entstanden nicht nur Antiskyrmionen zweiter Ordnung, sondern die Wissenschaftler beobachteten auch die Koexistenz von vier verschiedenen Skyrmionarten und einer topologisch trivialen Struktur. Eine besondere Überraschung gab es in einem supraleitenden Metall aus der Klasse Eisenpniktide. Hier sorgten nicht einfach Cooper-Paare für den verlustfreien Stromtransport, sondern offenbar taten sich gleich Vierer-Verbünde aus Elektronen zusammen. Dieser Zusammenschluss entspricht einem ganz neuen Aggregat­zustand, der in den kommenden Jahren noch intensiver untersucht werden wird. Dass ein solcher Zustand bei ultratiefen Temperaturen möglich ist, war zwar schon vor zehn Jahren vorhergesagt worden. Doch wurde der Effekt nun an verschiedenen Orten mit sieben verschiedenen Methoden überprüft, um wirklich sicher zu gehen. Man darf gespannt bleiben, ob mit solchen Elektronen-Quartetten in Zukunft eine ganz neue Art von Supraleitung möglich werden wird.

Dirk Eidemüller

 

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