Forscher stellen grundlegende Studie zum Kondo-Effekt in Frage

Jülich, 7. Januar 2021 - Der Kondo-Effekt beeinflusst den elektrischen Widerstand von Metallen bei tiefen Temperaturen und erzeugt komplexe elektronische und magnetische Ordnungen. Neuartige Konzepte zur Datenspeicherung und -verarbeitung, etwa mittels Quantenpunkten, basieren darauf. 1998 veröffentlichten US-amerikanische Forscher spektroskopische Untersuchungen zum Kondo-Effekt mittels Rastertunnelmikroskopie, die als wegweisend gelten und Auslöser für unzählige weitere Untersuchungen dieser Art waren. Zahlreiche dieser Untersuchungen müssen möglicherweise noch einmal überprüft werden, nachdem Jülicher Forscher nun zeigen, dass sich der Kondo-Effekt nicht zweifelsfrei auf diesem Weg nachweisen lässt. Stattdessen erzeugt ein anderes Phänomen genau den spektroskopischen "Fingerabdruck", der bisher dem Kondo-Effekt zugeschrieben wurde.

Normalerweise sinkt der Widerstand von Metallen mit fallender Temperatur. Der Kondo-Effekt bewirkt, dass er unterhalb eines materialtypischen Schwellenwerts, der so genannten Kondo-Temperatur, wieder ansteigt. Das Phänomen entsteht, wenn magnetische Fremdatome, wie Kobalt, nichtmagnetische Wirtsmetalle, wie Kupfer, verunreinigen. Fließt ein Strom, so werden die Atomrümpfe, vereinfacht dargestellt, von Elektronen umspült. Die Kobaltatome haben ein quantenmechanisches magnetisches Moment. Dies bewirkt, dass die Elektronen in der Nähe ihre Spins bei tiefen Temperaturen antiparallel zum Moment des Atoms ausrichten und wie eine Wolke an einer Bergspitze am Kobaltatom hängen bleiben. Dies behindert den Fluss der Elektronen – der elektrische Widerstand steigt. Physikalisch spricht man von einer Verschränkung, einer starken Kopplung des Moments der Verunreinigung mit den Spins der umgebenden Elektronen. Der Effekt lässt sich zum Beispiel in Quantenpunkten ausnutzen, Nanokristallen, die einmal als superkleine Informationsspeicher oder Prozessorelemente dienen sollen.

Der Kondo-Effekt wurde schon 1934 beobachtet und 1964 von Jun Kondo grundlegend erklärt. 1998 gelang Experimentalphysikern ein methodischer Durchbruch für die Untersuchung des Effekts. Mittels Rastertunnelmikroskopie war es möglich geworden, einzelne Atome auf Oberflächen zu erkennen, zu positionieren und gezielt an diesen Stellen Energiespektren aufzunehmen. Es zeigte sich eine charakteristische Senke in der Messkurve an der Position von Kobaltatomen auf einer Goldoberfläche, die fortan an als Signatur für den Kondo-Effekt galt. Zuvor konnte der Kondo-Effekt nur indirekt über Widerstandsmessungen nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen anderer Materialkombinationen und atomarer Arrangements mit dieser Technik folgten und ein eigenes Forschungsfeld entstand, das sich der Untersuchung von Vielteilchenphänomenen mit atomarer Auflösung widmete.

Die Physiker vom Peter Grünberg Institut und Institute for Advanced Simulation am Forschungszentrum Jülich fanden nun jedoch eine alternative Ursache für die Senke im Energiespektrum: die sogenannte magnetische Anisotropie. Sie bewirkt unterhalb einer spezifischen Temperatur, dass das magnetische Moment des Fremdatoms an das Kristallgitter des Wirtsmetalls koppelt, also die Ausrichtung des Momentes quasi "einfriert". Oberhalb der Temperatur setzen Anregungen des magnetischen Momentes durch die Spineigenschaften der tunnelnden Elektronen des Mikroskops ein. Solche Spinanregungen waren 1998 noch nicht messbar.

Schon seit Jahren arbeiteten die Forscher daran, theoretische Modelle für Spinanregungen zu verbessern. Früh fanden sie Hinweise auf die Kondo-artige Signatur. Zunächst fehlte ihnen aber noch die Möglichkeit, wichtige, so genannte relativistische Effekte konsistent in ihre Berechnungen einzubeziehen. Nachdem dies gelungen war, nahmen sie sich erneut das System aus Kobalt und Gold vor. Ihre Berechnungen konnten sie nun zudem eindrucksvoll mit Daten aus rastertunnelspektroskopischen Untersuchungen untermauen. Die gemessenen und die berechneten Spektren sind annähernd deckungsgleich.

"Dies bedeutet, dass vieles, was wir in den letzten zwei Jahrzehnten über den Kondo-Effekt gelernt zu haben glaubten und das bereits Einzug in Lehrbücher gehalten hat, noch einmal neu untersucht werden muss", erläutert Prof. Samir Lounis, Leiter der Arbeitsgruppe "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" (Funsilab). Erste neue Experimente basierend auf ihren Vorhersagen schlagen die Forscher bereits vor.

Originalveröffentlichung: Bouaziz, J., Mendes Guimarães, F.S. & Lounis, S. A new view on the origin of zero-bias anomalies of Co atoms atop noble metal surfaces. Nat. Commun. 11, 6112 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19746-1

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut – Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Arbeitsgruppe: Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory (Funsilab)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Samir Lounis
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Forschungszentrum Jülich
Tel 02461 61-4068
E-Mail: s.lounis@fz-juelich.de

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Angela Wenzik
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
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