Forschung

Neuer Effekt bei Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

21.01.2019 - Kontrollierte, extrem schnelle und umkehrbare Änderung der Leitfähigkeit vorhergesagt.

Plasmen – also Gase aus sich teilweise auch chaotisch bewe­genden Elek­tronen, Ionen, Atomen und Mole­külen – finden sich im Inneren von Sternen sowie in Fusions- und Be­schich­tungs­anlagen im Labor. Kommt ein Plasma in Kontakt mit einem Festkörper, wie etwa der Wand der Labor­anlagen, kann sich diese unter bestimm­ten Bedin­gun­gen grund­legend und dauer­haft verändern. So können sich Atome und Moleküle aus dem Plasma auf dem Fest­körper­material ablagern oder ener­gie­reiche Plasma-Ionen können Atome aus dem Fest­kör­per heraus­schlagen und seine Ober­fläche auf diese Weise defor­mieren oder sogar zerstören. Ein Team des Instituts für Theo­retische Physik und Astro­physik der Christian-Albrechts-Univer­sität zu Kiel (CAU) hat nun einen über­raschenden neuen Effekt ent­deckt, bei dem sich die elek­tronischen Eigen­schaften des Fest­kör­per­materials, wie etwa die elektrische Leit­fähigkeit, kontrol­liert, extrem schnell und umkehrbar ändern lassen. Ihre Ergeb­nisse er­schienen kürzlich in der renom­mierten Fach­zeitschrift Physical Review Letters.

Seit mehr als fünfzig Jahren erfor­schen Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler aus der Physik und der Material­wissenschaft die Prozesse an der Grenz­fläche zwischen Plas­men und Fest­körpern. Die Prozesse im Fest­körper wurden dabei bislang aller­dings stark ver­ein­facht beschrie­ben. Genaue Vorher­sagen sind so nicht mög­lich und Erkennt­nisse zu tech­nischen Anwen­dungen basieren häufig auf dem „Trial-and-Error-Prinzip“.

Auch Kieler Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaft­ler erforschen seit vielen Jahren Plasma-Fest­körper-Grenz­flächen und ent­wickeln hierfür neue Mess­ver­fahren, Model­lie­rungen und Anwen­dungen. In ihrer kürzlich ver­öffent­lichten Studie unter­suchte das Forschungs­team um Professor Michael Bonitz zeitaufgelöst, also ge­wisser­maßen „live“, wie Festkörper reagieren, wenn sie mit ener­ge­tischen Plasma-Ionen be­schossen werden. Um diese ultra­schnellen, nur wenigen Femtosekunden lange Prozesse zu be­schreiben, ver­wendete das Team zum ersten Mal präzise quanten­mechanische Si­mu­lations­methoden. „Dabei zeigte sich, dass die Ionen die gitterartig an­geordneten Elek­tronen des Fest­körpers stark anregen können. So beset­zen zwei Elektronen einen Gitter­platz doppelt und bilden damit ein Elek­tronen­paar, ein sogenanntes Doublon“, erklärt Bonitz. Dieser Effekt tritt bei bestimm­ten Nano­struk­turen auf, zum Beispiel in so­genann­ten Graphen-Nano­bändern. Hierbei han­delt es sich um Strei­fen aus einer einzelnen Lage von Kohlen­stoff­atomen, die durch ihre einzig­artigen Merk­male wie Leichtig­keit, Flexi­bilität und Leit­fähig­keit für zu­künf­tige An­wen­dungen in der Mikro­elek­tronik inter­essant sein könnten. Durch die kontro­llierte Erzeu­gung solcher Doublonen könnten sich Eigen­schaften von Nano­bänder gezielt ändern lassen.

„Außer­dem konnten wir vor­her­sagen, dass dieser Effekt auch in ultra­kalten Gasen in opti­schen Gittern be­obachtet werden kann“, so Bonitz. Damit sind die Ergeb­nisse der Kieler Wissen­schaftler auch über die Grenzen ihres Faches hinaus von Bedeu­tung. Jetzt suchen die Physiker nach opti­malen Bedin­gungen, mit denen der Effekt auch in Plas­men, die im Labor erzeugt werden, realisiert werden kann.

CAU / LK

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