Exotischer Quantenkristall entdeckt

Kieler Wissenschaftler weisen dritte Materieform von Kristalltypen nach

15.08.2011 - Deutschland

Dem Institut für Theoretische Physik und Astrophysik (ITAP) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist ein wissenschaftlicher Coup gelungen: Dr. Jens Böning, Privatdozent Alexei Filinov und Professor Michael Bonitz haben eine dritte Materieform von Kristallen entdeckt. Sie besitzt die Eigenschaften beider bisher bekannten Kristalltypen. Dieses ungewöhnliche Verhalten wurde vorhergesagt für Kristalle aus Exzitonen – wasserstoffartigen Bindungszuständen aus Elektronen und Löchern – in Halbleiter-Nanostrukturen, die einem starken elektrischen Feld ausgesetzt sind.

Normalerweise existieren in der Natur zwei unterschiedliche Typen von Kristallen: Der erste entsteht bei Kompression einer Flüssigkeit, der zweite aus einer Flüssigkeit, wenn der Druck verringert wird. Während der erste Typ charakteristisch ist für die meisten Materialien in unserem alltäglichen Leben, tritt der zweite Typ in dichten Quantenflüssigkeiten geladener Teilchen auf, etwa in Elektronen in Metallen oder Ionen in exotischen Zwergsternen oder Neutronensternen.

In der Online-Ausgabe der Zeitschrift Physical Review B stellen die Autoren umfangreiche präzise Computersimulationen vor, in denen das ungewöhnliche Verhalten der Exzitonenkristalle aufgeklärt wird. Die Kieler Wissenschaftler fanden eine einfache Erklärung für die Koexistenz der beiden einander anscheinend ausschließenden Schmelzprozesse. Das Geheimnis liegt in der Quantennatur der Exzitonen und in den abstoßenden Wechselwirkungskräften, die zwischen ihnen wirken. Bei niedrigem Druck und tiefen Temperaturen stoßen sich die Exzitonen über eine Dipolkraft ab und bilden eine Quantenflüssigkeit. Bei einer Druckerhöhung gefriert diese Flüssigkeit zu einem Exzitonenkristall. Unter noch stärkerer Kompression nähern sich zwei Exzitonen so stark an, dass die Quantennatur ihrer Bestandteile (Elektronen und Löcher) zum Tragen kommt und die Wechselwirkung abschwächt. Die Folge ist, dass die exzitonischen Wellenpakete einander durchdringen können, der Kristall wieder schmilzt und sich in eine reibungsfreie Quantenflüssigkeit (Supraflüssigkeit) verwandelt.

Die Forscher haben genau untersucht, in welchen Materialien und unter welchen Bedingungen dieser exotische Exzitonenkristall beobachtet werden kann. Besonders gut eignen sich demnach Zink-Selenid- und Gallium-Arsenid-Quantum-wells. Nun ist es an den Experimentatoren, die Vorhersagen zu überprüfen und diesen neuen Materiezustand zu finden.