„Leiser“ Strom in seltsamem Metall – Was steckt dahinter?
Forschende der TU Wien und Rice University entdecken einen leisen Strom in einem seltsamen Metall, wobei das traditionelle Verständnis von Elektronen und Quasielektronen in bestimmten Materialien zusammenbricht.
Forschende entdecken einen leisen Strom in einem seltsamen Metall, der das herkömmliche Verständnis von Elektronen und Quasielektronen in Frage stellt.
Foto: PantherMedia / JohanSwanepoel
Was passiert, wenn elektrischer Strom durch ein „seltsames Metall“ fließt? Dieser Frage haben sich die Forschenden der TU Wien und Rice University gestellt und haben herausgefunden: Das etablierte Bild von Elektronen und „Quasielektronen“ bricht dabei zusammen.
Auf den ersten Blick scheint alles simpel zu sein: In einem Kabel befinden sich Elektronen, und wenn wir eine Spannung anlegen, bewegen sich die Elektronen von einer Seite des Kabels zur anderen, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Diese Vorstellung ist nicht völlig falsch, aber sie trifft auch nicht genau zu.
Tatsächlich ist es so, dass sich Elektronen in einem Festkörper nicht frei bewegen können. Stattdessen treten komplexe Wechselwirkungen zwischen zahlreichen verschiedenen Teilchen auf. Dies führt dazu, dass der Ladungstransport im Material etwas träge wird, als ob die Elektronen im Material eine größere Masse hätten.
Mathematisch lässt sich dies beschreiben, indem der Stromfluss durch das Material nicht mit herkömmlichen Elektronen, sondern mit „Quasielektronen“ beschrieben wird. Diese Quasielektronen tragen zwar die gleiche elektrische Ladung, haben jedoch eine größere Masse.
Strom fließt als Kontinuum
Neue Experimente, durchgeführt von der TU Wien und der Rice University in Texas, zeigen jedoch, dass dieses Bild in bestimmten Materialien, sogenannten „Seltsamen Metallen“ (Strange Metals), völlig zusammenbricht. Der Strom scheint weder von Elektronen noch von Quasielektronen transportiert zu werden, sondern fließt als Kontinuum. Diese Erkenntnisse wurden nun im Fachjournal „Science“ veröffentlicht, wie es in einer Pressemitteilung erläutert wird.
Deshalb sprechen die Forschenden in diesem Fall von den sogenannten Quasiteilchen – wie in diesem Fall die Quasielektronen.
Es ist nicht möglich, sie aus dem Material zu extrahieren und getrennt aufzubewahren. Es handelt sich dabei um ein Konzept, mit dem die Bewegung von Ladung durch ein Material auf vergleichsweise einfache Weise beschrieben werden kann, selbst wenn es zu komplexen 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“, erklärt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien, eine der Autorinnen des aktuellen Papers.
Ytterbium, Rhodium und Silizium unter der Lupe
Das Forschungsteam konzentrierte sich nun auf ein spezifisches Material bestehend aus Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh2Si2), das als repräsentativer Vertreter der Klasse der „Seltsamen Metalle“ gilt. In früheren Jahren konnte das Team um Bühler-Paschen wiederholt nachweisen, dass diese Materialien bemerkenswerte Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine ungewöhnliche Beziehung zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur.
In diesem Versuch ging es darum zu untersuchen, auf welche Weise elektrischer Strom durch ein solches Metall fließt. Dies kann erforscht werden, indem man zeitliche Fluktuationen in der Stromstärke misst – dies wird als Schrotrauschen bezeichnet.
Das Konzept des Schrotrauschens ist auch in der klassischen Physik bekannt, beispielsweise vom Geräusch des Hagels, der auf ein Blechdach prasselt. Das Rauschen entsteht, weil der Hagel in diskreten Portionen, in Form von Hagelkörnern, auf das Dach trifft. Würde die gleiche Menge Niederschlag in einem kontinuierlichen Wasserstrahl auf das Dach treffen, wäre dieses Rauschen nicht hörbar.
Dieses Prinzip gilt auch für elektrischen Strom: Wenn er in diskreten Portionen fließt, kann man eine bestimmte Art von Rauschen 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“, sagt Silke Bühler-Paschen.
Ein extrem niedriges Schrotrauschen festgestellt
Um das Schrotrauschen im „Seltsamen Metall“ direkt zu messen, waren zunächst die Herstellung von nanoskopischen Drähten erforderlich. Dies wurde durch den Einsatz einer Molekularstrahlepitaxie-Anlage im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien sowie einer Nanostrukturierungstechnologie, die an der Rice University entwickelt wurde, erreicht.
Mit einem überraschenden Ergebnis: „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.“
Das Modell des Theoretikers Qimiao Si von der Rice University, der ebenfalls an der Studie beteiligt war, hatte zuvor das „Auseinanderbrechen“ von Kondo-artigen Quasiteilchen in bestimmten „Strange Metals“ vorhergesagt. Dennoch war die Feststellung, dass nun scheinbar überhaupt keine Quasiteilchen vorhanden sind, überraschend.
Ein neues Bild für Stromfluss gefunden?
„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.“
Es ist derzeit noch nicht genau bekannt, was stattdessen im Detail passiert. Doug Natelson von der Rice University beschreibt die Situation mit der Notwendigkeit, ein geeignetes Vokabular zu entwickeln, um zu erklären, wie die Ladung kollektiv durch ein solches Material transportiert werden kann.
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