Streitfrage in der Festkörperphysik nach 40 Jahren entschieden
Aus verschiedenen Kristallrichtungen im Inneren der Probe sowie von der Oberfläche werden Elektronen emittiert, die mit ARPES gemessen werden. Links beträgt die Probentemperatur 25 K, rechts nur 1 K. Aus diesen Daten lässt sich die Energieverteilung der Leitungs- und der Valenzbandelektronen ermitteln. Bei sehr tiefen T (1K) bleibt nur die Oberfläche leitend. © HZB
Ein internationales Team um Prof. Oliver Rader hat an BESSY II gezeigt, dass Samariumhexaborid kein topologischer Isolator ist. Durch einen Quanteneffekt wird dieses metallische Material bei sehr tiefen Temperaturen zu einem Kondo-Isolator, zeigt aber dennoch eine Restleitfähigkeit. Theoretische und erste experimentelle Arbeiten hatten zuvor darauf hingedeutet, dass dies auf einen topologischer Isolator schließen lässt. Das Team hat nun in Nature Communications eine überzeugende alternative Erklärung vorgestellt.
Samariumhexaborid (SmB6) ist ein dunkler Feststoff, der bei Raumtemperatur metallisch ist. Dabei gehört Samarium zu den Lanthaniden, einer Gruppe von Elementen mit mehreren Elektronen, die auf lokalisierten, sogenannten f-Orbitalen sitzen, und stark miteinander wechselwirken. Je tiefer die Temperaturen sinken, desto stärker zeigen sich diese Wechselwirkungen. Unterhalb der sogenannten Kondo-Temperatur wird SmB6 zu einem so genannten Kondo-Isolator, benannt nach Jun Kondo, der als erster diesen Quanteneffekt erklären konnte.
Nahe dem absoluten Nullpunkt: Restleitfähigkeit trotz Kondo-Effekt
Nun haben vor etwa 40 Jahren Physiker beobachtet, dass SmB6 bei tiefen Temperaturen unter 4 Kelvin noch eine Restleitfähigkeit behält, deren Ursache bis heute ungeklärt blieb. Nach der Entdeckung der Materialklasse der topologischen Isolatoren vor rund zwölf Jahren wurden Hypothesen laut, dass SmB6 sowohl ein Kondo-Isolator als auch ein topologischer Isolator sein könnte - dies würde die Anomalie in der Leitfähigkeit sehr grundlegend erklären. Tatsächlich deuteten erste Experimente darauf hin.
Nun an BESSY II: Präzise Vermessung der Energiebänder
Nun konnte ein internationales Team um Prof. Oliver Rader besonders gute Proben von SmB6 an BESSY II detailliert untersuchen. Die Proben von Kooperationspartnern aus der Ukraine wurden entlang bestimmter Kristallebenen gespalten und mit Hilfe der weltweit einmaligen höchstauflösenden Apparatur für Photoemissionsspektroskopie ARPES 13 an BESSY II untersucht. Dabei konnten die Physiker die nötigen niedrigen Temperaturen bis hinunter zu 1 Kelvin erreichen und die Energieniveaus der unterschiedlichen Elektronenbänder bezogen auf die Geometrie des Kristalls sehr genau vermessen.
Analyse der Messdaten zeigt: Kein topologischer Isolator
Ihre Messungen bestätigten zwar den Befund von beweglichen Elektronen an der Oberfläche. Sie belegten aber gleichzeitig, dass sich die Elektronen aufgrund der beobachteten geraden Zahl von Bandüberkreuzungen nicht in topologischen Oberflächenzuständen befinden.
Sondern: Lokale Verschiebung der Bandlücken erklärt Restleitfähigkeit
In den folgenden Experimenten suchten die Forscher intensiv nach einer alternativen Erklärung für die Leitfähigkeit, die inzwischen tatsächlich an der Oberfläche nachgewiesen worden war. „Wir konnten zeigen, dass sich die Lücke zwischen den erlaubten Energieniveaus der Elektronen, die sich durch den Kondo-Effekt auftut, an der Oberfläche ein klein wenig verschoben wird. Deshalb kann die Probe genau dort leitfähig sein. Damit ist aber auch klar, dass die besondere Oberflächenleitfähigkeit nicht von topologischen Eigenschaften verursacht wird“, erklärt Dr. Emile Rienks, der die Experimente zusammen mit dem Doktoranden Peter Hlawenka (HZB und Universität Potsdam) durchgeführt hat.
Ausblick: Grüne Spintronik/Energieffiziente IT
Die Forschung an Topologischen Isolatoren und anderen Materialien, die starke quantenphysikalische Effekte zeigen, könnte zu neuen Bauelementen für eine energieeffiziente Informationstechnologie führen. Informationen könnten mit minimalem Energieeinsatz verarbeitet und gespeichert werden, wenn man die Physik dieser Materialien noch besser verstehen und damit auch kontrollieren kann.
Zur Publikation in Nature Communication (2018): Samarium hexaboride is a trivial surface conductor, P. Hlawenka, K. Siemensmeyer, E. Weschke, A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, N.Y. Shitsevalova, A.V. Dukhnenko, V.B. Filipov, S. Gabáni, K. Flachbart, O. Rader & E.D.L. Rienks
DOI: 10.1038/s41467-018-02908-7
- Gefriergussverfahren – Eine Anleitung für komplex strukturierte MaterialienGefriergussverfahren sind ein kostengünstiger Weg, um hochporöse Materialien mit hierarchischer Architektur, gerichteter Porosität und multifunktionalen inneren Oberflächen herzustellen. Gefriergegossene Materialien eignen sich für viele Anwendungen, von der Medizin bis zur Umwelt- und Energietechnik. Ein Beitrag im Fachjournal „Nature Reviews Methods Primer“ vermittelt nun eine Anleitung zu Gefriergussverfahren, zeigt einen Überblick, was gefriergegossene Werkstoffe heute leisten, und skizziert neue Einsatzbereiche. Ein besonderer Fokus liegt auf der Analyse dieser Materialien mit Tomoskopie.
- IRIS-Beamline an BESSY II mit Nanomikroskopie erweitertDie Infrarot-Beamline IRIS am Speicherring BESSY II bietet nun eine vierte Option, um Materialien, Zellen und sogar Moleküle auf verschiedenen Längenskalen zu charakterisieren. Das Team hat die IRIS-Beamline mit einer Endstation für Nanospektroskopie und Nanoimaging erweitert, die räumliche Auflösungen bis unter 30 Nanometer ermöglicht. Das Instrument steht auch externen Nutzergruppen zur Verfügung.
- Einfachere Herstellung von anorganischen Perowskit-Solarzellen bringt VorteileAnorganische Perowskit-Solarzellen aus CsPbI3 sind langzeitstabil und erreichen gute Wirkungsgrade. Ein Team um Prof. Antonio Abate hat nun an BESSY II Oberflächen und Grenzflächen von CsPbI3 -Schichten analysiert, die unter unterschiedlichen Bedingungen produziert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms nicht negativ beeinflusst, sondern sogar zu weniger Defekten führt. Dies könnte die Massenanfertigung von anorganischen Perowskit-Solarzellen weiter vereinfachen.