Leiser Strom in seltsamem Metall

In einem Kabel befinden sich Elektronen, und wenn eine Spannung anliegt, flitzen die Elektronen von einer Seite des Kabels zur anderen und es fließt ein elektrischer Strom. Dieses Bild ist nicht ganz falsch – aber richtig ist es auch nicht. Denn tatsächlich können sich in einem Festkörper die Elektronen nicht frei bewegen. Stattdessen kommt es zu komplizierten Wechselwirkungen zwischen vielen verschiedenen Teilchen. Dadurch wird der Ladungstransport im Material etwas träge – so als hätten die Elektronen im Material eine größere Masse. 

Mathematisch kann man das elegant beschreiben, indem man den Stromfluss durch das Material nicht mit gewöhnlichen Elektronen, sondern mit Quasi­elektronen beschreibt, die zwar dieselbe elektrische Ladung tragen, aber eine größere Masse haben. Neue Experimente der TU Wien und der Rice University in Texas zeigen nun aber: In bestimmten Materialien, in „Seltsamen Metallen“, bricht dieses Bild völlig zusammen. Der Strom scheint weder von Elektronen noch von Quasi­elektronen transportiert zu werden, sondern als Kontinuum zu fließen. 

Quasiteilchen sind ein Konzept, mit dem man die Bewegung von Ladung durch ein Material auf relativ einfache Weise beschreiben kann, auch wenn es zu komplizierten Wechselwirkungen kommt. „Auch wenn man den Stromfluss mit Quasielektronen statt mit Elektronen beschreibt, bleibt der Grundgedanke trotzdem gleich: Der Strom wird in diskreten Portionen transportiert, die alle genau eine Elementar­ladung tragen und einzeln detektiert werden können“, sagt Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik. Nun aber untersuchte das Team ein ganz bestimmtes Material aus Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh₂Si₂), ein bekannter Vertreter der Klasse der „Seltsamen Metalle“. Schon in vergangenen Jahren konnten Bühler-Paschen und ihr Team immer wieder zeigen, dass diese Materialien verblüffende Eigenschaften aufweisen, etwa einen unge­wöhnlichen Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur.

Diesmal ging man der Frage nach, in welcher Form elektrischer Strom durch ein solches Metall fließt. Das lässt sich untersuchen, indem man zeitliche Fluk­tuationen in der Stromstärke misst – das Schrotrauschen. Schrot­rauschen kennt man auch aus der klassischen Physik – etwa vom Geräusch des Hagels, der auf ein Blechdach prasselt. Dieses Rauschen kommt dadurch zustande, dass der Hagel in diskreten Portionen auf dem Dach eintrifft – in Form von Hagelkörnern. Würde sich dieselbe Niederschlags­menge als Kontinuum auf das Dach ergießen, etwa als völlig gleichmäßiger Wasserstrahl, dann wäre dieses Rauschen nicht zu hören.

Dasselbe gilt für elektrischen Strom: Wenn er in diskreten Portionen ankommt, ist eine bestimmte Sorte von Rauschen zu erwarten. „Das Schrotrauschen ist einfach durch den granularen Charakter des Stromflusses bedingt. Da ein Quasi­elektron die gleiche diskrete Ladung hat wie ein freies Elektron, nämlich die Elementar­ladung, erwartet man, dass dieses Schrotrauschen immer gleich ist. Auch in einem Material, in dem es zu sehr starken Wechselwirkungen kommt und die Quasiteilchen eine um Größenordnungen erhöhte effektive Masse haben“, erklärt Silke Bühler-Paschen.

Um das Schrotrauschen im seltsamen Metall direkt messbar zu machen, mussten zunächst nanoskopische Drähte gefertigt werden. Dies gelang mithilfe einer Molekular­strahlepitaxie-Anlage im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der TU Wien und einem an der Rice University entwickelten Nanostruk­turierungsverfahren. Das Ergebnis war überraschend: „Es zeigte sich ein extrem niedriges Schrot­rauschen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Es ist, als würde die elektrische Ladung nicht, wie man das sonst kennt, von diskreten Quasielektronen transportiert, sondern eher kontinuierlich.“

Ein Modell des ebenfalls an der Studie beteiligten Theoretikers Qimiao Si von der Rice University hatte das Auseinanderbrechen von Kondo-artigen Quasiteilchen in bestimmten „Seltsamen Metallen“ zwar bereits vorhergesagt, dass nun aber gar kein Quasi­teilchen mehr vorzuliegen scheint, war doch unerwartet. „Was in diesem seltsamen Metall passiert, ist anders als alles, was wir bisher bei anderen Materialien gesehen haben“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Wir stellen uns vor, dass sich die Teilchen in diesem Material in einem hoch­verschränkten Zustand befinden, in dem das Bild der Quasiteilchen, das bei anderen Materialien sonst so gute Dienste leistet, völlig zusammenbricht.“

Was stattdessen im Detail passiert, ist derzeit noch unklar. „Wir müssen überhaupt erst das richtige Vokabular dafür entwickeln, um darüber zu reden, wie Ladung kollektiv durch ein solches Material transportiert werden kann“, sagt Doug Natelson von der Rice University.

TU Wien / JOL