Themen: BESSY II (257) HZB-Eigenforschung (85)

Science Highlight    06.02.2018

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.
Copyright: 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

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Von links nach rechts: Prof. Dr. Jan L&uuml;ning (HZB, design. GF), Dr. Roland Steitz (HZB), H.E. Dr. Khaled TOUKAN (Chairman of Jordan Atomic Energy Commission), Dr. Antje Vollmer (HZB), Mr Akram Hayjeneh (Jordan Embassy in Berlin), Dr. Samer Kahook (Manager of JRTR Jordan Atomic Energy Commission).</p>NACHRICHT      04.12.2018

    Delegation aus Jordanien zu Besuch am HZB

    Das Helmholtz-Zentrum Berlin wird die Zusammenarbeit mit jordanischen Großforschungseinrichtungen intensivieren. Das vereinbarte Prof. Dr. Jan Lüning mit Vertretern einer hochrangigen jordanischen Forschungsdelegation, die Ende November 2018 zu Gast am HZB war. [...]


  • NACHRICHT      30.11.2018

    Zwei neue Helmholtz-Nachwuchsgruppen am HZB bewilligt

    Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) baut ab 2019 zwei neue Helmholtz-Nachwuchsgruppen auf und stärkt damit die Kompetenzen in der Katalyse-Forschung. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert jede Gruppe jährlich mit 150.000 Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren; hinzukommen Eigenmittel des HZB in der gleichen Höhe. [...]




Newsletter