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Posted: Nov 13, 2014

New Insights on Kondo Effect

(Nanowerk News) Forscher aus Jülich und Göttingen haben die elektronischen Wechselwirkungen magnetischer Störstellen in Metall sichtbar gemacht. Dabei fanden sie heraus, dass die Elektronenmuster, die durch den so genannten Kondo-Effekt um magnetische Fremdatome herum entstehen, sich über weitere Strecken beeinflussen als bisher gedacht. Die Erkenntnisse aus der Untersuchung eines einfachen Modellsystems können für das Verständnis von Materialien mit komplexen elektronischen Strukturen von Nutzen sein. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen ("Interplay between the Kondo effect and the Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida interaction").
Zwei Eisenatome im Inneren von Kupferproben erzeugen ringförmige Elektronenwellen auf der Metalloberfläche
Zwei Eisenatome im Inneren von Kupferproben erzeugen ringförmige Elektronenwellen auf der Metalloberfläche, wie diese Aufnahme eines Tieftemperaturrastertunnelmikroskops Jülicher und Göttinger Forscher zeigt. (Bild: Universität Göttingen)
Der Kondo-Effekt beeinflusst den elektrischen Widerstand von Metallen bei tiefen Temperaturen: Normalerweise sinkt der Widerstand mit fallender Temperatur. Der Kondo-Effekt bewirkt aber, dass er unterhalb eines materialtypischen Schwellenwerts, der so genannten Kondo-Temperatur, wieder ansteigt. Gleichzeitig erzeugt der Kondo-Effekt komplexe elektronische und magnetische Ordnungen. Materialien mit derartigen Ordnungsphänomenen sind von großem Interesse für die Grundlagenforschung und bieten das Potential, neuartige nanoelektronische Bauteile für die IT der Zukunft zu entwickeln.
Der Kondo-Effekt entsteht durch die Verunreinigung von Metallen, die selbst nicht magnetisch sind, etwa Kupfer, mit magnetischen Atomen, wie Eisen. Fließt ein Strom, so werden die Atomrümpfe, vereinfacht dargestellt, von Elektronen umspült. Die Eisenatome haben ein magnetisches Moment, den Spin. Er bewirkt, dass die Elektronen in der Nähe ihren Spin bei tiefen Temperaturen nach dem Atom ausrichten. Dies behindert den Fluss der Elektronen – der Widerstand steigt.
Die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Georg-August-Universität Universität Göttingen haben nun erstmals experimentell untersucht, wie mehrere Eisenatome im Inneren einer Kupferprobe die magnetische Struktur beeinflussen. Wenn sie nah genug beieinander liegen, ist es den Elektronen nicht mehr möglich, sich nur nach einem Atom zu richten – die Ordnungseinflüsse der Atome behindern sich gegenseitig. Zur Überraschung des Physikers geschieht dies über eine mindestens zehnmal längere Entfernung als bisher bekannt, nämlich auch über eine Distanz von Nanometern.
Die Elektronen zwischen den Störstellen bilden stehende Wellenmuster aus, die die Forscher mit einer Art Nano-Echolot basierend auf Tieftemperaturrastertunnelmikroskopie sichtbar machen konnten. Je nach Anordnung der beiden magnetischen Atome bilden sich dabei unterschiedliche, charakteristische Muster aus Elektronenwellen an der Probenoberfläche.
"Unsere Probe mit nur zwei Eisenatomen ist das einfachste mögliche Modell, mit dem sich die Konkurrenz zweier Ordnungen untersuchen lässt. Dies gibt uns die Möglichkeit, von Grund auf zu verstehen, wie Ordnungsphänomene in weitaus komplexeren Systemen entstehen können", erläutert Dr. Samir Lounis vom Jülicher Peter Grünberg Institut die Relevanz der Arbeit.
Source: Forschungszentrum Jülich
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