{"id":71128,"date":"2023-06-26T14:40:00","date_gmt":"2023-06-26T12:40:00","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=71128"},"modified":"2025-02-20T12:02:56","modified_gmt":"2025-02-20T11:02:56","slug":"quantenspruenge-in-der-materialforschung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung-frankfurt\/quantenspruenge-in-der-materialforschung\/","title":{"rendered":"Quantenspr\u00fcnge in der Materialforschung"},"content":{"rendered":"

Wie im Labor und am Computer Kristalle mit \u00fcberraschenden \u00adEigenschaften entstehen<\/h4>\n\n\n\n
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Unter dem Schutz von Edelgasen entstehen im Herzen dieser Apparatur Kristalle nach dem Czochralski-Verfahren: In eine Schmelze wird ein Metallstab mit einem Impfkristall eingetaucht und dann langsam wieder herausgezogen, sodass das Material knapp unterhalb des Schmelzpunkts kristallisieren kann.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Seit hundert Jahren ist bekannt, dass die mikroskopische Welt der Atome und Molek\u00fcle von den Gesetzen der Quantenphysik regiert wird. Lange Zeit galten Quantenph\u00e4nomene als verworren und unkontrollierbar. Heute arbeiten Physikerinnen und Physiker daran, unter Nutzung quantenphysikalischer Effekte Materialien mit neuartigen Eigenschaften zu kreieren.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Am Physikalischen Institut auf dem Campus Riedberg im Norden Frankfurts hat \u00adCornelius Krellner sein B\u00fcro. Der Physikprofessor dreht sich auf seinem Stuhl nach hinten und \u00f6ffnet die T\u00fcr eines senffarbenen Schranks. Er l\u00e4chelt schelmisch \u00fcber seinen verborgenen Schatz. \u00bbIn dem Schrank haben wir praktisch alle chemischen Elemente in Reinstform\u00ab, sagt Krellner. Es ist eine Sammlung, die man eher bei einem Chemiker erwarten w\u00fcrde. In diesem Fall nutzt ein Experimentalphysiker die chemischen Elemente f\u00fcr seine Forschung. Er stellt aus ihnen Kristalle her, also Stoffe, in denen die Atome in regelm\u00e4\u00dfiger Abfolge angeordnet sind. \u00bbKristalle eignen sich dank ihrer geordneten Struktur in besonderer Weise, den atomaren Aufbau der Materie zu verstehen\u00ab, sagt Krellner.<\/p>\n\n\n\n

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Quantenmaterial Supraleiter<\/h3>\n\n\n\n

Cornelius Krellner erforscht Quantenmaterialien. In einem gewissen Sinn ist jeder Stoff der materiellen Welt ein Quantenmaterial. Jeder Stoff besteht n\u00e4mlich aus Atomen, und deren Bausteine gehorchen den Gesetzen der Quantenphysik. Die Wissenschaft definiert \u00bbQuanten\u00admaterial\u00ab aber enger: Hier bezeichnet der Begriff Materialien, deren makroskopische Eigenschaften auf Quanteneffekten beruhen. Das prominenteste Beispiel sind Supraleiter. In diesen Materialien flie\u00dft elektrischer Strom \u2013 anders als in den uns bekannten Kupferleitern \u2013 ohne Widerstand. Warum das so ist, erkl\u00e4rt die Quantenphysik: Elektronen bewegen sich in Supraleitern verlustfrei, weil sie sich zu flinken, durch nichts zu bremsenden Paaren verbinden.<\/p>\n\n\n\n

Supraleiter faszinieren, denn sie k\u00f6nnten in Zukunft eine Stromversorgung ohne \u00dcber\u00adtragungsverluste erm\u00f6glichen. So erstaunt es wenig, dass die Forschung nach anderen Quantenmaterialien Ausschau h\u00e4lt, die \u00e4hnlich n\u00fctzliche Eigenschaften besitzen. Cornelius Krellner hat schon mehrere solcher Materialien her\u00adgestellt. Der geb\u00fcrtige Dresdner nennt beispielhaft ein Quantenmaterial, das durch seine \u00admagnetischen Eigenschaften verbl\u00fcfft: Der Stoff verliert seine magnetische Kraft, wenn man ihn zusammenpresst. Um das Material zu kristallisieren, benutzte Krellner drei Elemente aus \u00adseinem senffarbenen Schrank: Europium, Palla\u00addium und Silizium. Diese Elemente bilden einen Kristall, ein regelm\u00e4\u00dfiges Gitter aus \u00adEinheitszellen. Jede Einheitszelle besteht aus einem Europium-Atom und jeweils zwei Palladium- und Silizium-Atomen. Die chemische Formel EuPd2<\/sub>Si2<\/sub> ist zugleich der Name des Quantenmaterials: \u00bbEuropium Palladium zwei Silizium zwei\u00ab.<\/p>\n\n\n\n

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Ein Elektron macht den Unterschied<\/h3>\n\n\n\n

\u00bbDie interessante Physik steckt im Europium\u00ab, sagt Cornelius Krellner. Um zu erkl\u00e4ren, warum dieses Material bei Dr\u00fccken seinen Magnetismus einb\u00fc\u00dft, nimmt er den Journalisten mit auf eine Reise in die mikroskopisch kleine Welt der Atome. Europium ist ein Metall der Seltenen Erden. Um den Atomkern tummeln sich 63 Elektronen. Sie sind auf sechs Schalen beziehungsweise 13 Unterschalen verteilt. Die Unterschale, die ein Elektron belegt, definiert den Abstand zum Atomkern und seinen Energie\u00adzustand. F\u00fcr den Magnetismus von Europium ist ein einziges der 63 Elektronen verantwortlich: ein 4f-Elektron. Es hei\u00dft so, weil es normalerweise auf der Unterschale 4f zu Hause ist. Wird der Kristall nun aber zusammengepresst, springt das Elektron von 4f auf Unterschale 5d.<\/p>\n\n\n\n

Obwohl sich sein Energiezustand nur unmerklich \u00e4ndert, hat dieser quantenphysi\u00adkalische Vorgang f\u00fcr das Europium zwei einschneidende Folgen: Es schrumpft um rund 20 Prozent \u2013 und es verliert seinen Magnetismus. Durch \u00e4u\u00dferen Druck wird der ganze EuPd2<\/sub>Si2<\/sub>\u00adKristall also nichtmagnetisch. Entf\u00e4llt der Druck, kehren die Elektronen von der Unterschale 5d auf ihren angestammten Platz zur\u00fcck; der Kristall wird wieder magnetisch. In der Fachsprache der Physik: Durch eine Manipulation von au\u00dfen vollziehen Quantenmaterialien einen \u00bbPhasen\u00fcbergang\u00ab zwischen zwei \u00bbQuantenzust\u00e4nden\u00ab. Damit sich dieser Effekt zeigt, muss der EuPd2<\/sub>Si2<\/sub>-Kristall auf minus 100 Grad Celsius abgek\u00fchlt werden.<\/p>\n\n\n\n

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AUF DEN PUNKT GEBRACHT
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