Nr. 35, 08.04.2006

Lochmuster

Ein deutsch-russisches Forscherteam unter Leitung des Kieler Physikers Michael Bonitz erntete weltweit Beachtung für die Entdeckung einer Kristallstruktur, die nur aus Löchern besteht.

Der Lochkristall in der Computersimulation: Die Löcher (rot) und die Elektronen (gelb) breiten sich normalerweise im Raum aus (Gasphase). Wenn jedoch die Masse eines Lochs den Wert der Elektronenmasse übersteigt, ordnen sich die Löcher spontan. Das Massenverhältnis (Loch zu Elektron) ist in der Gasphase 5 (links), in der flüssigen Phase 25 (Mitte) und in der Kristallphase 100 (rechts).

Loch an Loch, und es hält doch. Die Lösung dieses Kinderrätsels, das Netz, ist ein Gegenstand, den man in Händen halten und anschauen kann. So einfach ist die Sache mit dem Lochkristall aus dem Physiklabor, genauer gesagt aus dem Computerexperiment, jedoch nicht. Die Löcher, um die es hier geht, sind keine gewöhnlichen Löcher, es sind Löcher in einem Meer von Elektronen. »In einem Festkörper, einem Metall zum Beispiel, sind nicht alle Elektronen fest gebunden, einige bewegen sich frei wie ein Gas durch das Material«, erklärt Professor Michael Bonitz vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik. »Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können die Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus sitzen.« Durch Energiezufuhr kann ein Elektron von einem tieferen auf ein höheres Niveau gehoben werden, auf dem tieferen Niveau bleibt dabei eine Fehlstelle zurück – ein Loch.

Das Interessante daran ist, dass sich die Löcher genauso verhalten wie positiv geladene Teilchen. »Normalerweise sind die Elektronen im flüssigen oder gasförmigen Zustand, und auch die Löcher verhalten sich wie ein Gas oder eine Flüssigkeit – sie durchdringen den ganzen Körper. So steht es in jedem Lehrbuch für Festkörperphysik.« Dass sich die Löcher auch an festen Positionen im Raum lokalisieren und damit einen Kristall bilden können, wurde seit längerem spekuliert. Nun haben die Physiker um Bonitz dies erstmals in aufwändigen Computersimulationen nachweisen können.

Wie sich diese Löcher in einem Halbleiter verhalten und unter welchen Bedingungen sie eine Kristallstruktur einnehmen, konnte der Professor für Theoretische Physik nun vorhersagen und mit exakten Simulationen bestätigen. In der Simulation auf dem Computerbildschirm sieht man zunächst ein einziges Durcheinander von gelben (Elektronen) und roten Punkten (Löcher) – das ist der Normalzustand. Wenn jedoch die Masse eines Lochs den kritischen Wert des 80fachen der Elektronenmasse übersteigt, ordnen sich die Löcher plötzlich spontan. In der Darstellung sortieren sich die roten Punkte zu einem dreidimensionalen »Schachbrettmuster«, während die gelben Punkte weiterhin verstreut liegen bleiben. Das funktioniert jedoch nur mit speziellen Materialien und bei tiefen Temperaturen von zirka 10 Grad Kelvin (etwa minus 263 Grad Celsius).

Wozu dieser Aufwand? Bonitz: »Zunächst ging es darum, das Prinzip zu beweisen. Geht so etwas überhaupt, und unter welchen Bedingungen?« Ein zweiter Aspekt: Man kann damit auch eine Menge über das Verhalten von exotischen Sternen wie Weißen Zwergen oder Neutronensternen lernen, wo vermutlich etwas Ähnliches wie Lochkristalle von Natur aus vorkommt – ein Kristall aus Atomkernen, der in einem Elektronenmeer »schwimmt«. »Wir haben keine Chance, das jemals aus der Nähe zu sehen«, so Bonitz. »Im Labor können wir ähnliches Verhalten aber unter viel "freundlicheren" Bedingungen rekonstruieren und daran eine Menge über diese exotischen Sterne lernen.«

Bis jetzt gibt es den Lochkristall nur im Computer. Bonitz ist aber optimistisch, dass sich die Ergebnisse auch im Experiment bestätigen lassen. »Geeignete Materialsysteme haben wir bereits gefunden und hoffen nun auf die Experimentalphysiker«. Denn auch eine technische Anwendung der Lochkristalle in Form von neuen supraleitenden Werkstoffen lockt. Es gibt Vorhersagen, dass Systeme mit einem Lochkristall schon bei wesentlich höheren Temperaturen Strom verlustfrei leiten können als gewöhnliche Supraleiter. Das wäre von enormer wirtschaftlicher Bedeutung.

Diese Untersuchungen sind Teil des kürzlich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligten Transregio-Sonderforschungsbereichs »Grundlagen komplexer Plasmen«, der an den Universitäten Greifswald und Kiel angesiedelt ist. An den Arbeiten zum Lochkristall waren Wissenschaftler aus Moskau und Greifswald beteiligt, darunter Professor Holger Fehske (Uni Greifswald) und Dr. Vladimir S. Filinov vom Moskauer Institute for High Energy Density. (ne)

www.theo-physik.uni-kiel.de/~bonitz
focus.aps.org/story/v16/st17

Stichwort: Computational Physics

Eine Arbeitsrichtung von Professor Michael Bonitz ist die Computational Physics – Großrechnergestützte Physik. Dieses sich stürmisch entwickelnde Fachgebiet bewegt sich zwischen den traditionellen Bereichen Experimentalphysik und Theoretische Physik. Experimentatoren machen Versuche, wo es »knallt und pufft«. Theoretiker entwickeln traditionell vereinfachte Modelle der Natur. »Wir dagegen versuchen, die gut bekannten Grundgleichungen der klassischen und Quantenphysik von Vielteilchensystemen ohne vereinfachende Annahmen zu lösen«, so Bonitz. »Wir simulieren die Natur mit präzisen Computerexperimenten.«

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