Umgekehrter Hall-Koeffizient

Das Mittelalter hat den Ruf einer nicht wissen­schafts­freundlichen Zeit: Wer abseits ausge­tretener Pfade nach neuen Erkenntnissen suchte, konnte sich auf dem Scheiter­haufen widerfinden. So gilt der Beitrag der Epoche zum technischen Fortschritt als über­schaubar. Doch jetzt haben sich Wissen­schaftler des Karlsruher Instituts für Technologie KIT bei der Herstellung eines neuen Metamaterials mit neuartigen Eigen­schaften von mittel­alterlichen Ketten­hemden inspirieren lassen. Es ist ihnen so gelungen, den Hall-Koeffi­zienten eines Materials umzukehren.

Der Hall-Effekt beschreibt das Auftreten einer querver­laufenden elektrischen Spannung in einem stromdurch­flossenen Leiter, wenn sich dieser in einem Magnet­feld befindet. Der Effekt bietet somit eine einfache Möglich­keit, die Stärke von Magnet­feldern zu messen. Er bildet die Grundlage magne­tischer Sensoren in Autos, etwa bei Drehzahl­sensoren, oder der Kompasse in Smart­phones. Neben der Messung von Magnet­feldern kann der Hall-Effekt aber auch zur Charak­terisierung von Metallen und Halb­leitern eingesetzt werden. So kann zum Beispiel die Ladungs­träger­dichte des Materials bestimmt werden. Ins­besondere kann aus dem Vorzeichen der gemessenen Hall-Spannung darauf geschlossen werden, ob die Ladungs­träger im Element, aus dem der Halb­leiter besteht, positive oder negative Ladung tragen.

Dass es möglich sei, den Hall-Koeffi­zienten eines Materials umzu­kehren, hatten Mathe­matiker theoretisch vorher­gesagt. Gelingen sollte dies mittels einer ketten­hemd­ähnlichen drei­dimensionalen Ring­struktur, die Ähnlich­keiten mit einem historischen Ketten­panzer aufweist. Das Vorhaben aber tat­sächlich zu realisieren, galt bislang als zu anspruchs­voll, da das fili­grane Ring­geflecht dazu aus drei ver­schiedenen Kompo­nenten hätte zusammen­gesetzt werden müssen.

Christian Kern, Muamer Kadic und Martin Wegener vom Institut für Ange­wandte Physik am KIT fanden nun heraus, dass ein einziges Grund­material ausreicht, wenn die gewählte Ring­struktur einer bestimmten geome­trischen Anordnung folgt. Zunächst stellten sie mi einem höchst­auflösenden 3-D-Drucker Polymer­gerüste her, die sie anschließend mit dem Halbleiter Zinkoxid beschich­teten. Das Ergebnis des Experiments: Sie können nun Meta­materialien herstellen, deren Koeffi­zient positiv ist, selbst wenn deren Komponenten einen negativen Koeffi­zienten haben. „Die Ladungs­träger im Meta­material sind nach wie vor negativ geladene Elektronen“, erklärt Christian Kern. „Es verhält sich in Hall-Messungen lediglich so, als wären diese positiv geladen, da sie durch die Struktur auf Umwege gezwungen werden.“

Einen praktischen Nutzen habe die Entdeckung bislang nicht, so Kern. Denn Feststoffe sowohl mit negativem als auch positivem Hall-Koeffi­zienten gibt es in aus­reichendem Maße. Doch Kern möchte weiter forschen: Der nächste Schritt sei die Herstellung ani­sotroper Strukturen, in denen eine Hall­spannung in Magnet­feldrichtung und nicht wie normaler­weise senkrecht zu Strom- und Magnetfeld­richtung auftritt. Derartige Materia­lien könnten Anwendung in neuartigen Sensoren zur direkten Messung von Wirbeln in Magnet­feldern finden.

KIT / JOL