21.04.2022
Thermostrom-Spektroskopie weist Kondo-Effekt nach
Der Kondo-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das in kondensierter Materie weit verbreitet ist. Er beeinflusst den elektrischen Widerstand von Metallen bei tiefen Temperaturen und kann eine Grundlage für neue Konzepte zur Datenspeicherung und -verarbeitung sein, zum Beispiel auf der Basis von Quantenpunkten.
Nun hat ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung eines Physik-Theoretikers vom Forschungszentrum Jülich eine neue Methode vorgestellt, mit der sich der Kondo-Effekt einfacher und zuverlässiger als bisher in Quantenpunkten nachweisen und untersuchen lässt.
Der Kondo-Effekt tritt in bestimmten Arten von Quantenpunkten auf. Solche Quantenpunkte bestehen typischerweise aus tausend bis zehntausend Atomen eines Halbleiters, der in einen anderen eingebettet ist. Auch bestimmte organische Moleküle können als Quantenpunkte fungieren. Die geringen Strukturgrößen ermöglichen durch quantenmechanische Effekte neuartige Eigenschaften, die die Basis für die Nutzung in elektronischen und optoelektronischen Bauteilen sind.
In Halbleiter-Quantenpunkten mit einem endlichen magnetischen Moment steigt, anders als bei nichtmagnetischen Quantenpunkten, durch den Kondo-Effekt die elektrische Leitfähigkeit bei abnehmender Temperatur an. Dieses ungewöhnliche Verhalten entsteht dadurch, dass sich bei extrem niedriger Temperatur ein Zustand der Resonanz zwischen den magnetischen Moment des Quantenpunktes und den magnetischen Momente der Leitungselektronen bildet, die sogenannte Kondo-Resonanz.
"Eine interessante Eigenschaft dieser Resonanz ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Parametern wie Temperatur, Magnetfeld, Vorspannung und Gate-Spannung", berichtet der Physiker Dr. Theodoulos Costi vom Jülicher Peter Grünberg Institut. "Dadurch lässt sich die Leitfähigkeit dieses Typs von Quantenpunkten einstellen, was für Anwendungen potenziell nützlich ist."
Um den Kondo-Effekt in Quantenpunkten zu erkennen, versuchen Forscherinnen und Forscher meist, die theoretisch zu erwartende Empfindlichkeit der Kondo-Resonanz gegenüber einem Magnetfeld nachzuweisen und insbesondere deren Aufspaltung bei einem bestimmten Feldwert. Mit den bisher genutzten Methoden, meist differentielle Leitfähigkeitsmessung, ist der Nachweis jedoch technisch anspruchsvoll. Das Team von Forschern aus Jülich, Delft, Karlsruhe, Basel, Guangzhou und Löwen hat nun gezeigt, dass der Nachweis leichter und zuverlässiger mit Hilfe einer neuartigen Spektroskopie-Technik gelingt, der Thermostrom-Spektroskopie.
Dabei legen die Forscher eine kleine, mittels Wärme erzeugte, thermische Vorspannung an die Quantenpunkte an und messen den resultierenden Thermostrom als Funktion der elektrischen Vorspannung und des Magnetfelds. Die mathematische Ableitung des Thermostroms bei Nullvorspannung wechselt genau bei der Magnetfeldstärke das Vorzeichen, bei der sich die Kondo-Resonanz aufspaltet, und zeigt damit dieses Merkmal des Kondo-Effekts auf zuverlässigere Weise an, als es bisher möglich war. Die für das Experiment entwickelte Theorie des nichtlinearen Thermostroms von Theodoulos Costi zeigte eine überzeugende Übereinstimmung mit dem Experiment.
Quelle: Forschungszentrum Jülich