Elektronen ordnen sich in bestimmten Metallen periodisch an und verleihen ihnen ungewöhnliche Leitungseigenschaften, die sich sprunghaft ändern – ganz ähnlich wie menschliche Neuronen. Forschende haben bei neuen Experimenten herausgefunden, dass diese speziellen Quantenstrukturen sogar schmelzen können und sich dabei wie klassische Metalle verhalten. 

Obwohl die Elektronenkristalle schmelzen, verändert sich das zugrunde liegende Atomgitter bei diesem Prozess nicht. Nur die Struktur der Leitungselektronen wird mit zunehmender Temperatur chaotischer. Das Phänomen könnte im Bereich des neuromorphen Computings dabei helfen, das Verhalten von Nervenzellen besser zu simulieren.

Wie ein Elektronenkristall entsteht, lässt sich vereinfacht in einer Dimension veranschaulichen. Bei einem eindimensionalen Metall ordnen sich die Leitungselektronen wie an einer Perlenkette. Sie können sich frei bewegen und stoßen sich wegen ihrer gleichen Ladungen gegenseitig ab. Deshalb ist der energetisch günstigste Zustand der Elektronen eine gleichmäßige Verteilung mit jeweils dem maximalen Abstand zu den nächsten Nachbarn (siehe »Schwankende Elektronendichte«, oben).

Es gibt allerdings Ausnahmen: In bestimmten Metallen beeinflussen sich die Elektronen und das Atomgitter gegenseitig in einer Weise, dass eine Struktur entsteht, bei der die Elektronen periodisch zusammenrücken (siehe »Schwankende Elektronendichte«, unten). Ähnlich wie bei überfüllten Autobahnen kommt es dann zu wiederkehrenden Staus. Die Dichte der Elektronen zieht sich wie eine Welle durch den Leiter, es entstehen Ladungsdichtewellen. Mit diesen bildet sich innerhalb der Kristallstruktur des Atomgitters ein zweiter Kristall – ein Quantenkristall aus Elektronen.

Die neue Forschungsarbeit verbindet dieses komplexe Phänomen der Festkörperphysik mit der Metallurgie. In dem Feld beeinflussen Fachleute Metalle gezielt durch Defekte oder Unordnung in der atomaren Struktur und verstärken oder schwächen dabei bestimmte Eigenschaften. Das gelingt ihnen beispielsweise, indem sie das Material schmelzen.

Die Geburt der Quanten-Metallurgie

In zweidimensionalen Materialien verlaufen Schmelzprozesse geordneter als in drei Dimensionen. Der Grund ist, dass sich die Struktur eines solchen Materials nicht auf einmal auflöst, sondern schrittweise. Zunächst verlieren die Atome nur ihre regelmäßigen Abstände zueinander, während ihre gemeinsame Ausrichtung noch erhalten bleibt. Das Material wirkt in diesem Zustand bereits weniger starr, ist aber noch nicht flüssig. Erst in einem zweiten Schritt bricht auch diese Ausrichtung auseinander. Dann verliert das Material seine innere Ordnung vollständig und wird flüssig. Dieser zweistufige Ablauf entsteht, weil Störungen im Gitter in zweidimensionalen Materialien eine viel größere Rolle spielen.

Bereits im Jahr 2024 hat ein Forschungsteam nachgewiesen, dass sich nicht nur klassische Kristalle so verhalten. Es hat in zwei Dimensionen bei erhöhter Temperatur auch bei den elektronischen Quantenkristallen eine dieser Phasen identifiziert. Damit war ein neues Feld geboren: die Quanten-Metallurgie. Hierbei könnten Erkenntnisse aus der klassischen Metallurgie für die Forschung an besonderen Elektronenphänomenen bedeutsam werden, etwa bei Supraleitern und Transistoren der Zukunft.

Die Forschungsgruppe rund um Physiker Robert Hovden vom Michigan Center for Materials Characterization baute in der neuen Studie auf diesen Entdeckungen auf. Sie erzeugte eine stabile Ladungsdichtewelle in einem zweidimensionalen Metall. Als die Fachleute nun die Temperatur erhöhten, verschwammen die voneinander getrennten Anordnungen der Elektronen und gingen langsam ineinander über. Das Quantengitter zerfloss, während das Atomgitter intakt blieb. In gewisser Weise schmolz also ein 2D-Metall innerhalb eines 2D-Metalls. Bisher gelang es dem Forschungsteam allerdings nicht, eine Ladungsdichtewelle vollständig zu schmelzen, ohne dass sich das umgebende Atomgitter veränderte.

Für praktische Anwendungen sind die Ergebnisse vor allem wegen Besonderheiten bei der Leitfähigkeit der Ladungsdichtewellen interessant. Die periodische Struktur der Elektronen erzeugt Energielücken. Das unterdrückt die Anregung von einzelnen Elektronen. Niedrige Spannungen können die Elektronen nicht über diese Barriere bringen – das heißt, Metalle mit Ladungsdichtewellen verhalten sich wie Isolatoren.

Auf dem Weg zu neuartigen Bauteilen?

Wenn allerdings die Spannung groß genug ist, kann sie die gesamte Welle um eine Wellenlänge verschieben. Dann laufen die Elektronen kollektiv durch das Material, und der Isolator verwandelt sich in einen hoch leitenden Zustand, der Strom fast verlustfrei transportieren kann – bis sich die Welle wieder an einer Störung verhakt.

Beim Schmelzen dehnt sich die Ladungsdichtewelle aus. Dadurch vergrößert sich die Wellenlänge, was wiederum die Leitfähigkeit beeinflusst.

Die Eigenschaft, sehr schnell zwischen Isolator und extremer Leitfähigkeit wechseln zu können, erinnert einerseits an Transistoren, die wichtigsten Bauteile jeder Elektronik. Andererseits basieren auch die Neuronen lebender Wesen auf dem Grundprinzip. Diese milliardenfachen Schaltelemente unseres Gehirns erhalten ständig Signale von ihren Nachbarn und senden erst dann ein elektrisches Signal aus, wenn die Summe der eingehenden Signale einen gewissen Schwellenwert übersteigt. Künstliche neuronale Netze, auf denen KI basiert, imitieren dieses Verhalten.

Die Möglichkeit, Ladungsdichtewellen gezielt zu schmelzen und so die Struktur von Elektronenkristallen zu kontrollieren, ohne das Material selbst zu verändern, könnte bei solchen Anwendungen neue Perspektiven eröffnen. Das gilt nicht nur für die neuromorphe Informatik, sondern etwa auch für Supraleiter. In vielen Materialien konkurrieren Ladungsdichtewellen mit Phänomenen der Supraleitung, da beide mit kollektiven Zuständen der Leitungselektronen zusammenhängen. Wenn das eine schmilzt, kann sich das andere möglicherweise leichter einstellen.