04-12-2003
Elektronenkollektiv in Röhren

In metallischen Kohlenstoffnanoröhren bilden die Leitungselektronen eine exotische eindimensionale Flüssigkeit, wie japanische Experimentalphysiker berichten.

Wenn man die Bewegungsfreiheit der Elektronen in einem Metall auf eine Raumdimension einschränkt, so hat das weitreichende Konsequenzen – nicht nur für die einzelnen Elektronen, sondern auch für ihren Kollektivzustand. Die Elektronen bilden dann keine Fermi-Flüssigkeit mehr, wie in normalen Metallen, sondern eine so genannte Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit. Die Eigenschaften dieser beiden Flüssigkeiten unterscheiden sich erheblich voneinander.

Aufgrund ihrer elektrischen Wechselwirkung führen die Metallelektronen sehr komplizierte und auf den ersten Blick unberechenbare Bewegungen aus. Dabei ist jedes Elektron von einer Ladungswolke umgeben, die von den anderen Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen des Metalls herrührt. Für ein normales, dreidimensionales Metall kann man das Elektron und seine Ladungswolke zu einem „Quasiteilchen“ zusammenfassen, das wie das Elektron ein elektrisch geladenes Fermion ist. Doch im Gegensatz zu den Elektronen wechselwirken diese Quasiteilchen nicht miteinander. Dadurch wird es möglich, die Bewegung der Elektronen und die Eigenschaften der von ihnen gebildeten Fermi-Flüssigkeit zu berechnen.

In einem eindimensionalen Metall treten hingegen keine fermionischen Quasiteilchen auf. Die Elektronen bilden einen neuartigen Kollektivzustand, eine Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit. Führt man dem eindimensionalen Metall Energie zu, so entstehen keine fermionischen Quasiteilchen und Löcher wie in einem normalen Metall, sondern kollektive bosonische Anregungen, die Schallwellen ähneln. Diese Anregungen können die elektrische Ladung und den Spin unabhängig voneinander durch das Metall transportieren, während in einem normalen Metall elektrische Ladung und Spin immer aneinander gebunden bleiben.

Kohlenstoffnanoröhren sind nahezu ideale eindimensionale Systeme (Abb.). Hiromichi Kataura von der Tokyo Metropolitan University und seine Kollegen haben deshalb metallische Nanoröhren daraufhin untersucht, ob deren Elektronen tatsächlich eine Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit bilden. Andere Forscher hatten schon früher die elektrische Leitfähigkeit der Nanoröhren gemessen und mit den theoretischen Vorhersagen für eindimensionale Metalle verglichen, waren jedoch zu keinem eindeutigen Resultat gekommen. Die japanischen Wissenschaftler haben jetzt direkt in die Nanoröhren „hineingeschaut“ und die Anregungen der Elektronen in den Röhren mit Hilfe der Photoemissionsspektroskopie untersucht.

Die metallischen Kohlenstoffnanoröhren in diesem Bündel enthalten eine exotische Elektronenflüssigkeit. (Quelle: Ishii)

Dazu bestrahlten sie Bündel von 1,4 nm dicken Kohlenstoffröhren mit intensivem UV-Licht. Die Röhrenbündel enthielten sowohl metallische als auch halbleitende Nanoröhren, wobei die halbleitenden Röhren die metallischen voneinander isolierten. Die auftreffenden Photonen konnten Elektronen aus der Röhrenoberfläche herausschlagen. Aus der Energie eines herausgeschlagenen Elektrons, die anschließend gemessen wurde, ließ sich bestimmen, wie fest es an die Röhre gebunden war. Am leichtesten ließen sich die Elektronen herausschlagen, deren Energie nahe der Fermi-Energie lag.

Bei einem normalen Metall lassen sich die Elektronen nahe der Fermi-Energie auch dann noch leicht herausschlagen, wenn man das Metall immer weiter abkühlt und seine Temperatur gegen Null geht. Bei den metallischen Nanoröhren war das anders: Hier nahm die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron nahe der Fermi-Energie herauszuschlagen, mit der Temperatur ab. Das lag daran, dass das Elektron aus einem komplizierten kollektiven Zustand, den es zusammen mit den anderen bildete, herausgelöst werden musste. Die zurückbleibenden Elektronen mussten sich dann neu arrangieren, was ihnen umso schwieriger fiel, je tiefer die Temperatur war. Die japanischen Forscher beobachteten, dass die Austrittswahrscheinlichkeit mit einer Potenz der Temperatur gegen Null ging. Der Exponent in diesem Potenzgesetz stimmte gut mit den theoretischen Vorhersagen für eine Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit überein.

Weitere faszinierende Eigenschaften eindimensionaler Metalle, wie der getrennte Transport von Spins und Ladungen, sollen jetzt ebenfalls an Kohlenstoffnanoröhren untersucht werden.

Rainer Scharf

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