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Elektronen im Gänsemarsch

Ein Team der Leopold-Franzens-Universität hat es geschafft, Elektronen in Metallen zu geordneten Bewegungen entlang vorgegebener Bahnen zu zwingen. Dieses in Metallen erstmals beobachtete Verhalten liefert wichtige Erkenntnisse über die Wechselbeziehungen von Elektronen und darüber, wie es zu dem als Supraleitung bezeichneten Phänomen des Stromflusses ohne Verlust kommen kann.

Hochtemperatur-Supraleiter sind keramische Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur den elektrischen Strom ohne Widerstand – und damit ohne Verlust – leiten. Bei höheren Temperaturen ändert sich das Verhalten aber sprunghaft und der Stromfluss erfährt Widerstand. Solche sprunghaften Veränderungen auf Grund äußerer Einflüsse sind charakteristisch für so genannte "smart materials". Deren "Sprunghaftigkeit" ist eng verknüpft mit einer gegenseitigen Abhängigkeit räumlich eingeschränkter Elektronen, die zu einem gemeinsam abgestimmten Bewegungsmuster führt. Bis jetzt war diese als Korrelation bezeichnete Abhängigkeit nur bei Nicht-Metallen beobachtet worden.

Elektronen in Reih und Glied

Nun ist es einem Team um Prof. Erminald Bertel vom Institut für Physikalische Chemie erstmals gelungen, Elektronen auch in Metallen in eine solche gegenseitige Abhängigkeit zu zwingen. Dazu haben die Wissenschaftler zunächst Nanostrukturen auf der Oberfläche von Metall-Einkristallen, also Kristallen mit einheitlicher Gitterstruktur, erzeugt. "Normalerweise breiten sich Elektronen in Metallen in alle drei Raumrichtungen aus. Wenn aber das Metall als Einkristall vorliegt, gibt es Elektronen, die sich nur an der Oberfläche, also in zwei Dimensionen, ausbreiten können. Nanostrukturen können dann die Bewegungsfreiheit dieser Elektronen weiter einschränken. Zur Herstellung solcher Strukturen können z. B. Oberflächen von Kupfer-Kristallen so oxidiert werden, dass freie Kupferkanäle von 3 Nanometer Breite zwischen Erhebungen von Kupferoxid liegen. In diesen Kanälen können sich Elektronen nur noch eindimensional bewegen. Auch auf Platin-Kristallen können Atomketten in Abständen von ca. 0,8 Nanometer angeordnet werden. Die Ausbreitung bestimmter Elektronen kann dann nur entlang dieser Ketten erfolgen", erläutert Projektleiter Prof. Bertel. Waren die Elektronen erstmal zu einer geordneten Bewegung entlang der Kanäle oder Ketten gezwungen, konnte das Team um Prof. Bertel etwas Faszinierendes beobachten: Je nach Versuchsbedingungen bewegen sich die Elektronen völlig unabhängig voneinander in den einzelnen Kanälen, oder sie stimmen quer über alle Kanäle ihre Bewegungen aufeinander ab. Bei einem solchen als kohärent bezeichneten Bewegungszustand lassen sich die Elektronen nicht mehr einzelnen Kanälen zuordnen, sie sind "delokalisiert".

Elektronen in Reih und Glied

Zur näheren Analyse der Elektronen-Zustände verwendeten die Innsbrucker Forscherinnen und Forscher auch die Photoelektronenspektroskopie. Bei dieser Methode wird die energetische Verteilung von Elektronen gemessen, die durch Licht (Photonen) aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Interessanterweise zeigten die Spektren, dass die Elektronen oberhalb einer kritischen Temperatur aus dem kohärenten in einen inkohärenten Zustand übergehen. Eine ganz gleichartige Temperaturabhängigkeit von Photoelektronenspektren ist jedoch auch schon von Supraleitern bekannt – wurde aber bisher unterschiedlich erklärt. Jetzt legen die Beobachtungen des Innsbrucker Teams nahe, dass die Supraleitung in keramischen Supraleitern mit einem Übergang von Elektronen aus einem inkohärenten in einen kohärenten Zustand verknüpft ist. Dazu Prof. Bertel: "Die Stromleitung ohne Verlust durch elektrischen Widerstand könnte einen signifikanten Beitrag zur Energieeinsparung und zur Lösung einiger Umweltprobleme leisten. Aber derzeit erlaubt unser Verständnis der Supraleitung noch nicht, supraleitende Materialien zu synthetisieren, die einen großtechnischen Einsatz unter wirtschaftlichen Bedingungen gestatten. Unserem Team ist es gelungen, einen kleinen Mosaikstein in das Bild einzufügen, was uns solchen Anwendungen ein wenig näher bringt."