Gefangen im Magnetfeld 20.02.2025, 09:58 Uhr

Magnetischer Käfig: Wie Physiker Elektronen in eine Dimension zwingen

Magnetische Ordnung steuert Elektronenbewegung: Ein neuer Mechanismus könnte die Entwicklung innovativer Elektronik entscheidend beeinflussen.

eindimensionales Magnetfeld

Die antiparallele Spin-Ausrichtung in benachbarten Schichten des magnetischen Kristalls CrSBr beschränkt die stark gebundenen Exzitonen auf eine Dimension, wobei die Bindungsenergien im Inneren und an der Oberfläche des Kristalls stark unterschiedlich sind.

Foto: Brad Baxley

Forschende der Universität Regensburg haben entdeckt, dass magnetische Ordnung die Bewegung von Elektronen in bestimmten Materialien auf eine einzige Dimension einschränken kann. Diese Erkenntnis könnte die Entwicklung neuartiger elektronischer und optischer Bauelemente revolutionieren.

Elektronik der Zukunft: Ultrakompakt und präzise steuerbar

Elektronische Bauteile werden immer kleiner und leistungsfähiger. Vor allem Materialien mit einzigartigen quantenmechanischen Eigenschaften sind für die Forschung von großer Bedeutung. Eine Materialklasse, die hier besonders im Fokus steht, sind Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs). Diese ultradünnen Schichten lassen sich mit einfachen Methoden aus Volumenkristallen gewinnen und weisen spannende optische und elektrische Eigenschaften auf.

In solchen zweidimensionalen Materialien können Elektronen kaum aneinander vorbeikommen, was zu einer besonders starken Wechselwirkung führt. Dies beeinflusst auch ihre optischen Eigenschaften: Trifft Licht auf diese Materialien, bilden sich sogenannte Exzitonen – gebundene Zustände aus einem negativ geladenen Elektron und einer positiv geladenen Fehlstelle (Loch). Solche Exzitonen lassen sich gezielt beeinflussen, indem mehrere Schichten kombiniert oder strukturelle Anpassungen vorgenommen werden. Doch genau diese Methoden sind oft schwer mit industriellen Fertigungsprozessen zu vereinbaren.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau/ Brückenbau Die Autobahn GmbH des Bundes
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) konstruktiver Ingenieurbau - Außenstelle Netphen (nahe Siegen) Die Autobahn GmbH des Bundes
Netphen Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Straßenplanung und Straßenentwurf - Außenstelle Netphen (nahe Siegen) Die Autobahn GmbH des Bundes
Netphen Zum Job 
A.S.T. Angewandte System Technik GmbH Energie & Umwelttechnik-Firmenlogo
Ingenieur Elektrotechnik / Energietechniker (w/m/d) A.S.T. Angewandte System Technik GmbH Energie & Umwelttechnik
Wolnzach Zum Job 
Ingenieurbüro IBH Zaehle & Buse | Beratende Ingenieure PartG mbB-Firmenlogo
Fachplaner Versorgungstechnik / HKLS / TGA (m/w/d) Ingenieurbüro IBH Zaehle & Buse | Beratende Ingenieure PartG mbB
Karlsruhe Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau - Außenstelle Hagen Die Autobahn GmbH des Bundes
Ingenieurbüro Fast und Partner-Firmenlogo
Ingenieur/in für Straßen- und Tiefbau (m/w/d) Ingenieurbüro Fast und Partner
Mannheim Zum Job 
Lederer GmbH-Firmenlogo
Mitarbeiter m/w/d für den Bereich Technischer Support Lederer GmbH
Ennepetal Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung (w/m/d) Verkehrszentrale und Telematik Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg-Fischbach Zum Job 
ELAC SONAR GmbH-Firmenlogo
Electronical Engineer / Elektroingenieur (m/w/d) ELAC SONAR GmbH
MED-EL Medical Electronics-Firmenlogo
Technician, Automation Engineering (m/f/d) MED-EL Medical Electronics
Innsbruck Zum Job 
eMoSys GmbH-Firmenlogo
Power Electronics Engineer (m/f/d) Ingenieur Leistungselektronik (w/m/d) eMoSys GmbH
Starnberg Zum Job 
DMT-Gesellschaft für Lehre und Bildung mbH-Firmenlogo
W2-Professur (m/w/d) für Angewandte Materialwissenschaften DMT-Gesellschaft für Lehre und Bildung mbH
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Planungs- / Projektingenieur Nachrichtentechnik - Abnahme und Inbetriebnahme (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
DELTA Gruppe-Firmenlogo
Fachplaner / Projektleiter Versorgungstechnik (m/w/d) DELTA Gruppe
Regensburg, Geisenhausen, Landshut Zum Job 
Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)-Firmenlogo
Gruppenleiter:in Betriebsorganisation und Infrastruktur (w/m/d) Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur für die Projektleitung im Konstruktiven Ingenieurbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Würzburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur / erfahrener Bautechniker für den Streckenbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Würzburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur für die Projektleitung im Streckenbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Würzburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur / erfahrener Bautechniker für den Konstruktiven Ingenieurbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Würzburg Zum Job 

Magnetische Ordnung als neue Steuerungsmethode

Ein Team internationaler Forschender hat nun einen alternativen Weg gefunden, um die Bewegung von Elektronen und Exzitonen gezielt zu kontrollieren. Ihre Untersuchungen konzentrierten sich auf Chromsulfidbromid (CrSBr), ein Material mit einer besonderen magnetischen Schichtstruktur. Hier sind die Spins der Elektronen innerhalb einer atomar dünnen Lage alle in eine Richtung ausgerichtet. Die relative Spin-Ausrichtung benachbarter Schichten hängt von der Temperatur ab.

Ist die Spin-Ausrichtung zweier benachbarter Lagen entgegengesetzt, entsteht eine Barriere, die Elektronen auf eine einzige Atomlage beschränkt. Diese Anordnung wirkt wie ein „magnetischer Käfig“, der Elektronen an einer Bewegung in andere Richtungen hindert.

High-Speed-Experimente mit ultrakurzen Laserpulsen

Um diese Hypothese zu testen, setzte das Team aus Regensburg und internationalen Partnerinstitutionen ultrakurze Laserpulse ein. Diese Lichtimpulse, die nur wenige Femtosekunden dauern, ermöglichen es, Exzitonen im Material anzuregen und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Ein zweiter Infrarot-Puls analysierte dann, wie sich die Exzitonen verhalten. Dadurch konnten die Forschenden ihre Bindungsenergie, Bewegung und Lebensdauer messen.

Durch Variation der Temperatur beobachteten sie eine plötzliche Veränderung in der Energiestruktur der Exzitonen. Der magnetische Käfig begrenzte ihre Bewegung bei niedrigen Temperaturen auf eine einzelne Dimension. Erhitzte man das Material, verschwand diese Begrenzung, und die Exzitonen konnten sich wieder frei durch das Material bewegen.

Theoretische Bestätigung und technische Perspektiven

Parallel dazu entwickelte ein Forschungsteam aus Michigan eine detaillierte theoretische Beschreibung dieses Effekts. Sie bestätigten, dass die magnetische Ordnung direkt die Dimensionalität der Exzitonen bestimmt. Bei niedrigen Temperaturen bleiben die Exzitonen in einer einzigen Atomlage gefangen, was ihre Bindungsenergie erhöht. Steigt die Temperatur, wird der magnetische Käfig aufgelöst, was zu einer drastischen Reduktion der Bindungsenergie führt.

Marlene Liebich, Erstautorin der Studie, erklärt: „Es war faszinierend zu sehen, wie sich das Verhalten der Exzitonen schlagartig verändern lässt, indem man das Material abkühlt.“ Diese Erkenntnisse bieten neue Möglichkeiten, Elektronen gezielt zu steuern und elektronische Bauelemente auf eine neue Art zu entwickeln.

Dr. Niloufar Nilforoushan, eine weitere Autorin der Studie, ergänzt: „Die magnetische Ordnung stellt eine neue Stellschraube dar, um Exzitonen und ihre Wechselwirkungen anzupassen. Dies könnte zukünftige Elektronik- und Informationstechnologien grundlegend verändern.“

Neue Anwendungen für spintronische Technologien

Diese Entdeckung könnte insbesondere für die Spintronik von Bedeutung sein. Hierbei nutzt man den Spin von Elektronen, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Die gezielte Steuerung von Exzitonen könnte neue Möglichkeiten für optoelektronische Bauteile und Informationsverarbeitung schaffen.

Zusätzlich wurden in einer weiteren Studie Unterschiede zwischen Exzitonen an der Oberfläche und im Inneren des Materials festgestellt. Dies könnte neue Anwendungsmöglichkeiten für Sensoren eröffnen.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.