Quantenphysik über Dimensionen hinweg: Unidirektionale Kondo-Streuung

Technologisch interessante Materialeigenschaften sind oft auf Defekte in der atomaren Struktur zurückzuführen. So hat die Veränderung der optischen Eigenschaften von Rubinen mit Chromeinschlüssen zur Entwicklung von Lasern beigetragen, während Stickstoff-Leerstellen in Diamanten den Weg für Anwendungen wie Quantenmagnetometer ebnen. Selbst in der Metallurgie verbessern atomare Defekte wie Versetzungen die Festigkeit von geschmiedetem Stahl.

Eine weitere Erscheinungsform von Defekten im atomaren Massstab ist der Kondo-Effekt, der die Leitungseigenschaften eines Metalls beeinflusst, indem er die Elektronen streut und verlangsamt und den Stromfluss durch das Metall verändert. Dieser Kondo-Effekt wurde erstmals bei Metallen mit sehr wenigen magnetischen Defekten beobachtet, z. B. bei Gold mit wenigen Teilen pro Million an Eiseneinschlüssen. Wenn die verdünnten magnetischen Atome alle Elektronen um sich herum ausrichten, verlangsamt dies die Bewegung des elektrischen Stroms im Inneren des Materials, und zwar gleichmässig in alle Richtungen.

Seit seiner Beschreibung durch den theoretischen Physiker Jun Kondo im Jahr 1964 hat das Thema mehrere Wiederbelebungen erlebt, und heute wird der Effekt in vielen Systemen beobachtet, von Kohlenstoff-Nanoröhren bis zu Supraleitern.

Eine neue Perspektive

Nun hat ein Team unter der Leitung von Professor Laszlo Forró an der EPFL eine Arbeit veröffentlicht, die den Kondo-Effekt aus einem neuen Blickwinkel betrachtet und dabei die modernsten Werkzeuge zur Materialcharakterisierung und Mikrofabrikationstechnologien einsetzt.

Die Forschenden untersuchten die Auswirkungen von magnetischen Defekten, die für die Kondo-Streuung verantwortlich sind und durch atomar dünne Ebenen in einem Schichtmaterial entstehen. Aufgrund der Thermodynamik nehmen die dünnen Ebenen eine anomale atomare Konfiguration an.

Solche Defekte sind an sich nicht magnetisch, aber bei niedrigen Temperaturen organisieren die Elektronen ihren Spin innerhalb der defekten Schichten selbst, wodurch ein lokaler magnetischer planarer Defekt im Material entsteht.

Bisher wurde diese Konfiguration nur in einzigartigen und massgeschneiderten Proben erzeugt und untersucht, entweder durch manuelles Stapeln von atomar dünnen Schichten verschiedener Materialien oder durch die teure Molekularstrahlepitaxie-Technologie, bei der die Materialien Atom für Atom im Ultrahochvakuum erzeugt werden.

Für die Studie wurde die innovative Methode der Mikrofabrikation mit fokussierten Ionenstrahlen verwendet, von Professor Philip Moll und seinem Team an der EPFL entwickelt, die den ersten experimentellen Nachweis der Anomalie der elektronischen Transporteigenschaften ermöglichte.

Die Entdeckung, dass solche Phänomene durch native Defekte hervorgerufen werden können, eröffnet einen neuen und leichter zugänglichen Weg zur Erforschung einzigartiger Quantenwechselwirkungen in Materialien, was die Entdeckung und den Transfer in technologische Lösungen fördern könnte.

«Als wir die Anomalie in der elektronischen Leitfähigkeit entdeckten, waren wir sehr verwirrt», sagt Edoardo Martino, Erstautor der Studie, «Das Material verhielt sich wie ein ganz normales Metall, dessen Elektronen sich entlang der Ebene bewegen, aber wenn man es zwang, sich zwischen den Ebenen zu bewegen, verhielt es sich weder wie ein Metall noch wie ein Isolator, und wir wussten nicht, was wir sonst erwarten sollten. Erst eine Diskussion mit unseren Kolleginnen und theoretischen Physikern brachte uns auf die richtige Spur: einfach ein Magnetfeld anlegen und sehen, was passiert».

Nach dem Anlegen des Magnetfelds stellten die EPFL-Forschenden fest, dass das Verhalten des Materials umso exotischer wird, je stärker der Magnet ist. Sie begannen mit 14 Tesla (460 000-faches Erdmagnetfeld) supraleitenden Magneten zu experimentieren, die an der EPFL zur Verfügung standen, aber bald merkten sie, dass sie mehr brauchten.

In Zusammenarbeit mit dem Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble und Toulouse konnten sie auf einige der stärksten Magnete der Welt zugreifen. Die Zusammenarbeit führte Experimente mit bis zu 34 Tesla unter statischen Bedingungen und mit Impulsen von bis zu 70 Tesla für einige Millisekunden durch.

«Meine erste Vermutung war, dass es sich um eine neuartige Form des Kondo-Effekts handelt, obwohl wir keine magnetischen Spezies im Kristall eingeführt haben», sagt Konstantin Semeniuk, ein Wissenschaftler, der an der Studie mitgearbeitet hat.

«Als wir unsere Untersuchung abgeschlossen hatten, war das Ergebnis klar», sagt Martino: «Die atomar dünnen Defekte schaffen eine Art magnetische Wand im Material, die einige der Elektronen, die versuchen, sie zu durchqueren, abprallen lässt. Die Entschlüsselung der Quelle des Kondo-Effekts hat gezeigt, dass die Thermodynamik für grosse Überraschungen sorgen kann. Wir glauben, dass es auf diesem Gebiet noch viel mehr zu entdecken gibt, ein besseres Verständnis von Defekten auf atomarer Ebene durch elektronische Mikroskopie, lokale magnetische Messungen und neue Quantensimulationen, um die Bildung und Wirkung solcher Defekte in geschichteten Materialien zu verstehen.»