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Zu kalt für Strom

„Elektronen haben kein Mascherl“ – TU-Chemiker ergründen das erstaunliche Verhalten von Elektronen in Festkörpern

Die blauen und roten Farbschattierungen geben an, wo sich die Elektronen aufhalten. Das mittlere Eisenatom oben hat eine andere Elektronenkonfiguration als das Eisenatom unten. Durch diese Anordnung fällt es den Elektronen schwer, sich von einem Atom zum nächsten fortzubewegen.

Die blauen und roten Far

Die blauen und roten Farbschattierungen geben an, wo sich die Elektronen aufhalten. Das mittlere Eisenatom oben hat eine andere Elektronenkonfiguration als das Eisenatom unten. Durch diese Anordnung fällt es den Elektronen schwer, sich von einem...

Die blauen und roten Farbschattierungen geben an, wo sich die Elektronen aufhalten. Das mittlere Eisenatom oben hat eine andere Elektronenkonfiguration als das Eisenatom unten. Durch diese Anordnung fällt es den Elektronen schwer, sich von einem Atom zum nächsten fortzubewegen.

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha

Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz

Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz

Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz

Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz

Dipl.Ing. Christian Spiel

Dipl.Ing. Christian Spiel

Dipl.Ing. Christian Spiel

Dipl.Ing. Christian Spiel

Wien (TU). - Wie verhält sich ein Elektron in einem Silberlöffel? – Oft können FestkörpertheoretikerInnen wichtige Materialeigenschaften beschreiben, indem sie das Verhalten einzelner Elektronen mathematisch untersuchen. In einem Metall sind viele Elektronen nicht fest an einzelne Atome gebunden, sondern sie können sich ganz alleine frei zwischen den Atomen bewegen – deshalb leitet ein Silberlöffel elektrischen Strom. Wird ein Material stark erhitzt, beginnen die Atome ungeordnet zu wackeln, und der Stromfluss wird behindert. Die meisten Materialien leiten Strom daher besonders gut, wenn sie abgekühlt werden.

Erstaunliche Ausnahmen

Manche Materialien, zum Beispiel Magnetit, besitzen bei höheren Temperaturen zwar eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, doch wenn man sie abkühlt, kommt es plötzlich zum sogenannten „Verwey-Übergang“: Unterhalb einer bestimmten Temperatur fließt überhaupt kein Strom mehr. Seit Jahrzehnten wundern sich WissenschafterInnen über dieses Phänomen. Dipl.Ing. Christian Spiel, Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha und Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz vom Institut für Materialchemie haben an einem ähnlichen Eisenoxid  diese Verwey-Übergänge in aufwändigen Computersimulationen untersucht und ein Erklärungsmodell für diesen Effekt vorgestellt. Die neuen Erkenntnisse werden in den nächsten Tagen in der Fachzeitschrift „Physical Review B“ veröffentlicht.

Elektronen sind keine Gummibälle

Wenn kleine Gummibälle durch ein Gitter hüpfen, hat jeder einzelne Gummiball seine eigene Bahn. Die Bälle kann man getrennt voneinander betrachten. Doch bei Elektronen, die sich durch das Atom-Gitter eines festen Materials bewegen, reicht dieses simple Bild auf Grund der Quantenmechanik nicht aus. Elektronen sind alle gleich, sie können nicht voneinander unterschieden werden. Es gibt keine
Elektronen-Individuen, die jeweils ihren eigenen Platz an bestimmten Atomen haben. Jedes Elektron ist gewissermaßen überall gleichzeitig, und so müssen die Elektronen auch gleichzeitig gemeinsam berechnet werden. Diese komplizierte Aufgabe lösten die TU-Chemiker mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (für die der Wiener Walter Kohn 1998 den Chemienobelpreis erhielt) und einer Menge Computer-Rechenleistung.

Wie diese Rechnungen zeigten, ordnen sich die Elektronen bei Temperaturen unterhalb des Verwey-Überganges gemeinsam so an, dass sie sich jeweils an einem Atom „festhalten“. Bei einem Eisenatom sind dann fünf, bei einem anderen sechs Elektronen. Sie bilden ein regelmäßiges Muster im Festkörper, das schwer aufzulösen ist – und damit ist es vorbei mit dem Fließen des elektrischen Stroms. Oberhalb dieser kritischen Temperatur teilen sich die Eisenatome diese elf Elektronen gleichmäßig, dann können die Elektronen von Atom zu Atom hüpfen und leiten damit den Strom. Ob es für diese komplizierten Materialien mit Verwey-Übergang demnächst eine technologische Anwendung geben könnte, wissen die Wissenschaftler der Theoretischen Chemie selbst noch nicht so genau – aber jedenfalls ist es ihnen gelungen, endlich Licht auf ein jahrzehntelang diskutiertes Phänomen der Festkörperphysik zu werfen.

Fotolink: http://www.tuwien.ac.at/index.php?id=8546

Rückfragehinweis:
Technische Universität Wien
E165 - Institut für Materialchemie
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Blaha
T  +43-1-58801x15671
blaha@theochem.tuwien.ac.at

Univ.Prof. i.R. Dr.phil. Karlheinz Schwarz
T  +43-1-58801x15670
kschwarz@theochem.tuwien.ac.at

Univ.Ass. Dipl.-Ing. Christian Spiel
T +43-1-25077-3818
christian.spiel@imc.tuwien.ac.at

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