Forschung

Unerwartete Kopplung zwischen Atomkernen und Elektronen

03.05.2019 - Born-Oppenheimer-Approximation in mehr Materialien nicht erfüllt als bisher angenommen.

Jahrelang hat Astrid Schneidewind vom Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit Kollegen versucht, Abweichungen im Streumuster von Neutronen zu verstehen, die es eigentlich gar nicht geben dürfte. Am Ende stießen die Forscher an die Grenzen eines über neunzig Jahre alten Eckpfeilers der Physik: der Born-Oppenheimer-Näherung. Diese Approximation aus dem Jahr 1927 wird heute unter anderem standardmäßig genutzt, um die Berechnung von Mehrteilchen-Systemen zu vereinfachen. Die Näherung geht davon aus, dass die Bewegungen der Atomkerne und Elektronen in Festkörpern getrennt betrachtet werden können, weil sich die Teilchen sehr stark in ihrer Masse unterscheiden.

Schon in den 1980er-Jahren fanden Forscher zwar Materialien, für die diese Näherung nicht gilt. „Bislang ging man aber davon aus, dass es sich bei diesen Materialien um absolute Ausnahmen handelt, die sich gut erklären lassen“, so Schneidewind. „Es sind Spezialfälle, bei denen Gitterschwingungen der Atomkerne, Phononen, die gleichen Energiewerte aufweisen wie die möglichen Energieänderungen der Elektronen in der Hülle.“

Bei der Verbindung CeAuAl3 jedoch fanden die Forscher etwas Überraschendes – unerwartete Energiezustände von Elektronen und Phononen. Die Entdeckung verdanken die Wissenschaftler einem glücklichen Zufall: Schneidewind, zuständig für das Dreiachsenspektrometer PANDA am Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum in Garching, benötigte eine Probe für einen Praktikumsversuch mit Neutronen. Gleichzeitig war es einem ihrer Kollegen, Christian Franz von der TU München, gelungen, zum ersten Mal einen großen Kristall dieser Verbindung zu züchten. Verschiedene Forscher hatten die Substanz in Pulverform schon untersucht, aber keine Auffälligkeiten festgestellt.

Motiviert durch Untersuchungen an ähnlichen Substanzen, doch ohne große Erwartungen ließ  Schneidewind den Kristall für den Praktikumsversuch über Nacht in das PANDA-Spektrometer stellen. Groß war die Überraschung, als Schneidewinds Kollege Petr Čermák, damals Postdoktorand am Forschungszentrum Jülich und Co-Verantwortlicher an PANDA, mit den Studenten am nächsten Morgen auf die Messergebnisse blickte: Es waren Kopplungen zwischen den Bewegungen der Atomkerne und den Elektronen zu sehen, die es laut der Born-Oppenheimer-Näherung nicht geben dürfte.

Umfangreiche Messungen des Teams bestätigten die ersten Ergebnisse: Die Wechselwirkung zwischen Gitterschwingungen und Elektronen führt zu neuen Energiezuständen der Elektronen, obwohl nicht alle beteiligten Phononen und Elektronen auf demselben Energieniveau liegen, wie bei allen anderen Spezialfällen zuvor. „Wir haben nun erstmals nachgewiesen, dass es solche Kopplungen zwischen den Elektronen und ihren Atomkernen in Festkörpern in sehr viel mehr Materialien geben muss als bisher angenommen“, sagt Christian Pfleiderer von der TU München, der an der Deutung der Messergebnisse mitgearbeitet hat. „Gleichzeitig eröffnet dies eine große Breite von möglichen Formen elektronischer Ordnung und Funktionalitäten, die durch solche Kopplungen entstehen." Und Čermák, jetzt Wissenschaftler an der Karls-Universität Prag, ergänzt: „Diese ungeahnte Kopplung zwischen Atomkern und -hülle eröffnet viele mögliche Anwendungen, unter anderem für die Datenverarbeitung." Auch für das Verständnis der Supraleitung versprechen die Materialien wichtig zu werden.

FZ Jülich / RK

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