Elektronen sind allgegenwärtig unter den Atomen, subatomare Energiepartikel, die unabhängig voneinander das Verhalten eines Systems verändern können. Eine internationale Forschungskollaboration hat herausgefunden, dass die kollektive Messung von Elektronen einzigartige und unerwartete Erkenntnisse liefert. Die Ergebnisse der Forscher wurden am 17. Mai in den Physical Review Letters veröffentlicht.
“Es ist nicht möglich, die Lösung allein durch die Verfolgung des Verhaltens jedes einzelnen Elektrons zu erhalten”, sagte Myung Joon Han, Professor für Physik an der KAIST und Mitautor der Studie. “Stattdessen sollte man alle verflochtenen Elektronen gleichzeitig beschreiben oder verfolgen. Dies erfordert eine clevere Methode, um diese Verflechtung zu behandeln.”
Professor Han und die Forscher verwendeten eine kürzlich entwickelte “Viele-Teilchen”-Theorie, um die verflochtene Natur von Elektronen in Festkörpern zu berücksichtigen, die beschreibt, wie Elektronen lokal miteinander interagieren, um ihre globale Aktivität vorherzusagen.
Mit diesem Ansatz untersuchten die Forscher Systeme mit zwei Orbitalen – dem Raum, in dem Elektronen sich befinden können. Sie stellten fest, dass sich die Elektronen in parallelen Anordnungen innerhalb von Atomstellen in Festkörpern einschließen. Dieses Phänomen, bekannt als Hund’sche Kopplung, führt zu einem Hund-Metall. Diese metallische Phase, die Eigenschaften wie Supraleitung hervorbringen kann, galt bisher nur für dreiorbitale Systeme.
“Unsere Erkenntnis widerspricht der herkömmlichen Ansicht, dass mindestens drei Orbitale erforderlich sind, damit die Hund-Metallizität entsteht”, sagte Professor Han und wies darauf hin, dass zweiorbitale Systeme keine große Aufmerksamkeit unter den Physikern erhalten haben. “Neben dieser Entdeckung eines Hund-Metalls haben wir verschiedene metallische Zustände identifiziert, die in generischen, korrelierten Materialien natürlich auftreten können.”
Die Forscher fanden vier verschiedene korrelierte Metalle. Eines davon ergibt sich aus der Nähe zu einem Mott-Isolator, einem Zustand eines Festkörpers, der eigentlich leitfähig sein sollte, jedoch aufgrund der Wechselwirkung der Elektronen die Leitung verhindert. Die anderen drei Metalle bilden sich, wenn Elektronen ihre magnetischen Momente – oder Phasen der Erzeugung eines Magnetfelds – in verschiedenen Abständen von dem Mott-Isolator ausrichten. Neben der Identifizierung der metallischen Zustände schlugen die Forscher auch Kriterien zur Klassifizierung jeder metallischen Phase in anderen Systemen vor.
“Durch diese Forschung können Wissenschaftler die tiefere Natur der sogenannten “stark korrelierten Materialien” besser charakterisieren und verstehen, bei denen die Standardtheorie der Festkörper aufgrund der starken Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Elektronen zusammenbricht”, sagte Professor Han und verwies auf die Kraft, mit der sich die Elektronen anziehen oder abstoßen. Diese Wechselwirkungen sind in der Regel in Feststoffen nicht vorhanden, treten jedoch in Materialien mit metallischen Phasen auf.
Die Entdeckung von Metallen in Zweiorbitalsystemen und die Möglichkeit, das Verhalten der Elektronen im gesamten System zu bestimmen, könnten laut Professor Han zu noch mehr Entdeckungen führen.
“Dadurch werden wir letztendlich in der Lage sein, eine Vielzahl von Elektronenkorrelationsphänomenen zu manipulieren und zu kontrollieren”, sagte Professor Han.
Co-Autoren
Zu den Co-Autoren gehören Siheon Ryee von der KAIST und Sangkook Choi vom Fachbereich für kondensierte Materiephysik und Materialwissenschaften am Brookhaven National Laboratory in den USA. Diese Arbeit wurde von der Nationalen Forschungsstiftung Koreas und dem Büro für Wissenschaft, Grundlagenforschung und Energie der US-amerikanischen Regierung unterstützt.
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