Perspektivwechsel im Elektronengebirge

In Bismut gilt das gängige elektronische Modell für Metalle nicht

Auch einfache Materialien halten für Physiker immer wieder Überraschungen bereit. So haben Forscher des Dresdener Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe im Metall Bismut eine elektronische Eigenschaft beobachtet, die sie nur bei deutlich komplexeren Materialien erwarteten: Im Bismut verhalten sich Elektronen anders als freie Elektronen in einfachen Metallen.

Je nach der Richtung, in der sie sich durch den Kristall bewegen, kommen sie mal leichter und mal schwerer voran, weil ihre Energieverteilung von der Perspektive abhängt. Das ist in etwa so wie in einem Gebirge, in dem ein Wanderer auf einer Route viele hohe Gipfel überwinden muss, auf einer anderen dagegen nur auf wenige Berge trifft.

Andere Metalle ähneln in diesem Bild eher Ebenen, die sich in allen Richtungen gleich präsentieren. In Bismut gibt es in dem Energiegebirge drei sogenannte Täler, in denen sich die Elektronen ansammeln können. Überraschenderweise verteilen sich die Elektronen aber ungleich auf diese energetisch gleichen Täler

Völlig neue Art der Elektronik

Diese ungewöhnliche Energieverteilung haben die Wissenschaftler mit einem von ihnen selbst entwickelten, sehr empfindlichen Messgerät für die Längenausdehnung einer Probe entdeckt. Auf diese Weise ließe sich auch die elektronische Energieverteilung in Materialien untersuchen, die für eine völlig neue Art der Elektronik interessant sind.

[note Elektronengebirge im Bismutkristall: Die Reliefkarte zeigt die Energieverteilung der Elektronen, abhängig von der Stärke des Magnetfeldes in Tesla (T) und des Kippwinkels der Probe. © MPI für Chemische Physik fester Stoffe]

Länge, Breite und Höhe können Physikern mehr über eine Materialprobe verraten, als nur deren Abmessungen. Denn wenn sich der Zustand eines Stoffs ändert, wirkt sich dies auch auf die Anordnung seiner Bestandteile aus. Wenn Wasser gefriert oder verdampft, ist das ganz offensichtlich: Im einen Fall ordnen sich seine Moleküle zu einem starren Gitter an, im andern Fall verflüchtigen sie sich als Gas. Klar, dass sich dabei auch das Volumen ändert.

Bei anderen Zustandsänderungen – Physiker sprechen von Phasenübergängen – bleibt ein Material zwar fest, seine Kristallstruktur dehnt sich aber aus oder zieht sich zusammen, etwa wenn ein äußeres Magnetfeld die Substanz magnetisiert. Allerdings ändern sich die Abmessungen einer Probe dabei nahezu unmerklich, wenn man solche Übergänge fast am Nullpunkt der Temperatur, also etwa bei minus 273 Grad Celsius untersucht. Genau in diesem Temperaturbereich arbeiten die Physiker am Max-Plack-Institut für Chemische Physik fester Stoffe für gewöhnlich, weil viele Phänomene, für die sie sich interessieren, nur bei derart tiefen Temperaturen auftreten.

Um unter diesen Bedingungen zu messen, wie stark ein Kristall sich ausdehnt oder schrumpft, brauchen Physiker also ein sehr empfindliches Messgerät – genau das hat Robert Küchler in seiner Arbeit am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe entwickelt. Und damit hat ein deutsch-französisches Team um Robert Kuechler und Lucia Steinke, die ebenfalls am Dresdener Max-Planck-Institut forscht, nun im Metall Bismut eine Beobachtung gemacht, die sie einigermaßen überrascht hat.

[note Messgerät für extreme Dimensionen: Die Thermische Expansions-Zelle ermöglicht es, bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und minus 273,1 Grad Celsius Längenveränderungen von ungefähr einem tausendstel Nanometer, also einem Milliardstel Millimeter, zu messen. Eine Probe wird dabei zwischen den beiden Platten eines Kondensators eingespannt, dessen Kapazität sich wenn sich die Probe ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Änderung der Kapazität lässt sich sehr genau durch die Änderung einer Spannung messen. So können die Wissenschaftler Längenänderungen detektieren, die hundert Mal kleiner sind als die Abstände der Atome im Kristallgitter. © MPI für Chemische Physik fester Stoffe]

Folgt: Genaues Bild der elektronischen Energieverteilung