13.03.2020

Wolkige Elektronen

Messung der Ausdehnung der Kondo Screening Cloud in Einklang mit theoretischer Erwartung.

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals die Größe der Kondo Screening Cloud bestimmt. Dieses quanten­physikalische Phänomen beschreibt ein Zusammenspiel von leitenden Elektronen mit Verunreinigungen im Material, das eine Reduktion des elektrischen Widerstands bewirkt. Der Kondo-Effekt liegt beispielsweise der Supraleitung bei hohen Temperaturen zugrunde. An der neuen Veröffentlichung waren Andreas Wieck und Arne Ludwig von Lehrstuhl für Fest­körperphysik der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beteiligt. Federführend bei der Arbeit war das japanische Riken Center, weitere Partner kamen aus Hongkong, Korea und Tokio. 

Abb.: Arne Ludwig (links) und Andreas Wieck sind Experten für die...
Abb.: Arne Ludwig (links) und Andreas Wieck sind Experten für die hoch­präzise Herstellung von Halbleiter­proben. (Bild: RUB, Marquard)

Beim Kondo-Effekt passiert, verglichen mit Fußgängern, Folgendes: Fußgänger in der Nähe der hinderlichen Masten formen eine Traube um das Hindernis und schirmen es ab – mit dem Ergebnis, dass andere Fußgänger das Vorhandensein der Masten gar nicht mehr bemerken, sondern frei daran vorbeilaufen können. Ebenso können Elektronen eine Wolke um eine Verunreinigung im Material bilden und diese maskieren – eine Screening Cloud. Sie führt dazu, dass der elektrische Widerstand sinkt, der Strom kann leichter fließen.

Der Effekt ist allerdings temperaturabhängig: Bei einer bestimmten Temperatur erreicht der elektrische Widerstand ein Minimum, unterhalb dieser Temperatur steigt der Widerstand wieder an. In der Fußgänger­analogie wäre es so, als ob sich die Masten bei höheren Temperaturen um ihre Ruhelage herum bewegen würden und den Fußgängern dabei einen höheren Widerstand entgegensetzen würden. Bei niedrigeren Temperaturen hingegen wäre es so, als ob sich die Menschentraube an den Masten vergrößern würde und weniger freie Fußgänger da wären. Diesen ungewöhnlichen Zusammenhang beschrieb erstmals der japanische Physiker Jun Kondo. Zu seinen Ehren wurde die Temperatur, bei der der minimale elektrische Widerstand erreicht wird, auf den Namen Kondo-Temperatur getauft. Die entsprechende Abschirmwolke wird Kondo Screening Cloud genannt.

In der Realität ist der Kondo-Effekt etwas komplizierter als in der Fußgängeranalogie. Durch den Spin der Elektronen und Verunreinigungen wäre es so, als ob sich Straßenschilder und Fußgänger die ganze Zeit um ihre eigene Achse drehen würden. Dabei benehmen sich Elektronen und Verunreinigungen wie winzige Magnete mit einem Nord- und einem Südpol; ihr Verhalten ist somit zusätzlich von magnetischen Kräften beeinflusst.

In den vergangenen fünfzig Jahren gab es viele Versuche, die Ausdehnung der Kondo Screening Cloud zu bestimmen. Frühere vereinfachte Experimente hatten Werte im Nanometerbereich ermittelt, theoretische Berechnungen sagten jedoch eine Größe im Mikro­meter­bereich voraus. Die nun beschriebenen neuen Experimente bestätigen die theoretischen Vorhersagen.

Die Forscher platzierten einen extrem sensitiven Detektor, einen Quanten­punktkontakt, um eine Verunreinigung in einem Halbleiter. Als Verunreinigung verwendeten sie dabei ein Qubit, die elementare Recheneinheit eines möglichen Quantencomputers. Für ihre Messungen nutzten sie die Tatsache, dass sich Elektronen in der Quantenmechanik wie Wellen verhalten, die sich überlagern können und dabei gegenseitig auslöschen oder verstärken können. Mithilfe dieser Interferenzen konnten das Forschungsteam die tatsächliche Größe der Kondo Screening Cloud bestimmen, die im Mikrometer­bereich liegt.

RUB / DE
 

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