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Physik: Forscher entdecken mysteriöse Spin-Wolke

Wenn sich Elektronen durch ein Material bewegen, bleiben sie immer mal wieder an Verunreinigungen hängen. Aber dank eines Phänomens aus der Quantenphysik gibt es einen Ausweg.
Atome in einem FestkörperLaden...

Wenn sich Elektronen durch ein Metall bewegen, stoßen sie dabei immer wieder auf Hindernisse. Oft sind dies fremde, von außen in den Festkörper gelangte Atomkerne, von denen ein winziges Magnetfeld ausgeht. Es lenkt Elektronen um und erhöht daher den elektrischen Widerstand des Materials.

Doch dank der Quantenphysik können Elektronen darauf reagieren: Bei niedrigen Temperaturen und in bestimmten Materialien schließen sich etliche von ihnen zu einem Kollektiv aus verschränkten Teilchen zusammen, die sich wie eine schützende Wolke um die Verunreinigung legen. Die Spins der einzelnen Elektronen – die jeden der Ladungsträger zu einem Minimagneten machen – sind darin gerade so orientiert, dass die Störstelle abgeschirmt wird. Andere Elektronen können dann ohne Probleme um das Hindernis herumfliegen.

Als theoretische Vorhersage kennen Physiker das Phänomen schon lange, sie sprechen vom »Kondo-Effekt«. Er könnte unter anderem bei der noch immer rätselhaften Hochtemperatur-Supraleitung eine Rolle zu spielen, bei der sich Elektronen völlig widerstandslos durch ein Material bewegen. Doch bisher ist es Forschern nicht zweifelsfrei gelungen, eine abschirmende Kondo-Wolke in einem Laborexperiment zu beobachten, trotz vieler Versuche in den vergangenen 50 Jahren.

Einem Team um Ivan V. Borzenets von der City University of Hong Kong will das Kunststück nun geglückt sein. Die Forscher machten sich dazu Fortschritte in der Nanoelektronik zu Nutze, dank derer man mittlerweile eine Art künstliches Atom herstellen kann, einen so genannten Quantenpunkt. Verbindet man ihn mit einer künstlichen Verunreinigung in einem Halbleiter, lasse sich die Ausdehnung der Kondo-Wolke messen, berichten die Forscher in »Nature«. Den Messungen zufolge erstreckt sich das abschirmende Elektronen-Kollektiv über mehrere Mikrometer, was der Vorhersage aus theoretischen Arbeiten entspricht.

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