Lochkristall gefunden

Aufwändige Computersimulationen liefern den Beweis: Es gibt Kristalle, die nur aus Löchern bestehen.

Ein ungewöhnlicher Materiezustand, ein Kristall, der nur aus Löchern besteht, wurde an der Kieler Universität nachgewiesen: Einem internationalen Team unter Leitung von Michael Bonitz gelang mit Hilfe von aufwändigen Computersimulationen erstmals der Beweis dieses exotischen Phänomens, über dessen Existenz bislang nur spekuliert wurde. Darüber hinaus konnten die Physiker Bedingungen für seine Entstehung vorhersagen.

„Wir wissen nun, dass dieser Effekt in Halbleitern mit einer ganz bestimmten Bandstruktur auftritt“, so Bonitz. „In gewöhnlichen Festkörpern sind Elektronen und Löcher weit ausgedehnt - eine Konsequenz der Quantenmechanik. Elektronen und Löcher durchdringen das Material wie eine Flüssigkeit.“ Wenn jedoch die Masse eines Lochs den kritischen Wert des 80fachen der Elektronenmasse übersteigt, verwandelt sich die Lochflüssigkeit spontan in einen Kristall. Des Weiteren liegen starke Hinweise vor, dass sich in derartigen Halbleitersystemen bei Verringerung des Drucks Bose-Kondensate von gebundenen Elektron-Loch-Paaren (so genannten Exzitonen) ausbilden können. „Die nächste spannende Frage ist, unsere Vorhersage zum Lochkristall in einem Experiment zu bestätigen“, beschreibt der Physiker den weiteren Weg. Geeignete Materialsysteme seien bereits vorgeschlagen worden.

Der Lochkristall ist für den Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik auch aus einem weiteren Grund von Interesse: „Wir konnten zeigen, dass er viele Gemeinsamkeiten mit ganz anderen Kristallen, wie etwa Plasmakristallen oder Ionenkristallen, besitzt.“ Besonders reizvoll sei, dass der Lochkristall viele Ähnlichkeiten mit einigen der rätselhaftesten Objekte im Universum - Weißen Zwergen und Neutronensternen - besitzt. In diesen exotischen, weit entfernten Objekten vermutet man die Existenz eines Ionenkristalls. „Wichtige Eigenschaften dieser Systeme“, hofft Bonitz, „lassen sich möglicherweise bald im Labor an einem Lochkristall studieren.“

Abb.: Die Computersimulation zeigt: Obwohl Löcher (rot) eigentlich nur fehlende Elektronen(gelb) in einem Material repräsentieren, können diese unter bestimmten Voraussetzungen einen Kristall ausbilden. (Quelle: Bonitz)

Dieser ungewöhnliche Kristall sei auch für die Materialforschung von Interesse, so Bonitz, „weil er möglicherweise günstige Voraussetzungen für Supraleitung bietet.“ Während Supraleitung derzeit nur bei extrem tiefen Temperaturen funktioniert, erwartet z. B. der Physik-Nobelpreisträger von 2003, Alexei Abrikosov, dass Systeme mit einem Lochkristall schon bei wesentlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Eine Herausforderung für die Kieler Wissenschaftler und ihre Partner: „Ein wichtiges Ziel unserer weiteren Untersuchungen wird es sein, diese Vorhersagen zu überprüfen.“

Professor Michael Bonitz arbeitete für seine Forschungen mit einem deutsch-russischen Wissenschaftlerteam zusammen, zu dem Professor Holger Fehske (Uni Greifswald) und Dr. Vladimir S. Filinov (Institute for High Energy Density, Moskau) gehörten. Das Projekt ist Teil des kürzlich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligten Transregio-Sonderforschungsbereiches 24 „Grundlagen komplexer Plasmen“, der an den Universitäten Greifswald und Kiel angesiedelt ist.

Quelle: Uni Kiel

Weiter Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Bonitz, V.S. Filinov, P.R. Levashov, V.E. Fortov und H. Fehske, Crystallization in two Component Coulomb Systems, Phys. Rev. Lett. 95, 235006 (2005). 
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.235006
  http://de.arxiv.org/abs/cond-mat/0507230 (preprint) 
• Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Uni Kiel:
  http://www.theo-physik.uni-kiel.de 
• Homepage von Michael Bonitz:
  http://www.theo-physik.uni-kiel.de/~bonitz 
• Lochkristall-Seite von Michael Bonitz:
  http://www.theo-physik.uni-kiel.de:81/~bonitz/phys-art/holecryst/holecryst.htm