Ordnung durch KälteBewegte Elektronen: Ladung oder Bindung?

Wichtige Eigenschaften in Werkstoffe wie Graphen oder Supraleitern beruhen darauf, dass viele Elektronen miteinander in Wechselwirkung stehen. Wann trägt ein Elektron zur Bindung bei und wann zur Leitung? Diese Frage untersuchte eine internationale Forschungsgruppe mit einer Modellverbindung. Denn nicht nur im Unterricht sind Prinzipien erwünscht, die Prognosen für das Verhalten der Elektronen zwischen lokaler Bindung oder einem Beitrag zur Leitfähigkeit erlauben.

Schachbrett mit umherliegenden Figuren in verschiedenen Farben und Positionen.

Gedankenexperiment zu Ordnung im Festkörper: Bei tiefen Temperaturen sollen Elektronen feste Plätze einnehmen und erkunden lassen, welche Merkmale ihr Verhalten bestimmt. Foto: Randy Fath/Unsplash

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Die gute Nachricht ist, dass Kälte die Eigenschaften der Elektronen in den Feststoffen einzeln ein- und ausschalten konnten. Allerdings ist die Physik dahinter nicht ganz so einfach wie das Modell des Schachbretts hoffen lässt. Doch vereinfacht wurden die Elektronen durch Kälte ihrer Freiheit beraubt, um leichter zu untersuchen, wann und wie sie sich bewegen: leitend oder bindend.

Gedankenexperiment auf dem Spielbrett

Sobald es um chemische Bindungen geht, steckt dahinter die Frage, wo sich Elektronen aufhalten und wie stark anziehende und abstoßende Kräfte wirken. Durch Kälte kann Ordnung erzeugt werden – nahe dem absoluten Nullpunkt verharren selbst Elektronen. Diese zu untersuchen ist besonders schwierig dadurch, dass sie sich einerseits stark beeinflussen und in großer Zahl vorhanden sind. Andererseits bestimmen Freiheitsgrade noch selbst für jedes einzelne Elektron, welchen Anteil verschiedene Merkmale auf das Verhalten nehmen.

Sehr anschaulich geschildert hat dies die Wiener Professorin Silke Bühler-Paschen. Die Festkörperphysikerin zog Schachfiguren auf dem Spielbrett zur Veranschaulichung heran. Es gibt viele Möglichkeiten, verschiedene Muster zu erzeugen. Sie können farblich alternierend aufgestellt werden oder getrennt. Sie können nach Größe und Art sortiert werden oder auch gerade in beliebiger Kombination. Wenn das Gedankenexperiment soweit gediehen ist, kommen die Schachregeln ins Spiel: es gibt eine Grundaufstellung.

Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in Festkörpern

Wer einmal Schach spielt oder Spielende beobachtet, sieht schnell, dass die Grundaufstellung durch die Spielzüge schnell in komplexere Muster übergeht. Bei chemischen Bindungen sind die Wechselwirkungen der Elektronen im Vordergrund, also die Ladung, die immer einfach negativ ist. Bewegen sich Elektronen etwa im Metall, fließt Strom. Die Elektronen im Elektronengas nehmen auch die Wärmeschwingung von Atomrümpfen gut auf, wandeln sie in kinetische Energie und machen so etwa Kupfer zu einem guten Wärmeleiter.

Doch ob sich Elektronen in Bindungen von Feststoffen nahe beieinander aufhalten, hängt von weiteren Faktoren wie dem Spin ab. In der Festkörperphysik wird von Freiheitsgraden gesprochen: Je weiter ein Stoff herunter gekühlt wird, desto weniger Energie verbleibt für die verschiedenen Freiheitsgrade der Elektronen – vereinfacht gesagt, desto weniger bewegt es sich. Dabei beschreiben Spin, Orbital und Ladung verschiedene Möglichkeiten, wie sich Elektronen bewegen – sie folgen einem Eigendrehimpuls (Spin), beteiligen sich an Ladung, Bindungen oder schirmen den Atomrumpf ab (Orbitale).

Eine Verbindung – verschiedene elektronische Eigenschaften

Im Unterricht wird am Metall das Elektronengas-Modell vorgestellt und die Orbitale werden anhand des Aufbaus von Methan erläutert [2, S. 2-19]. In einem Werkstoff können aber verschiedene Bindungsarten gleichzeitig von Bedeutung sein. Beim Wiener Beispiel bilden Elektronen die Bindungen für den Werkstoff und andere sind frei beweglich. Leitende und bindende Elektronen beeinflussen sich gegenseitig. Bei hochleitenden Metallen führt dies bei niedrigen Temperaturen zu einem Minimum vom elektrischen Widerstand. Wer mehr Details sucht, findet diese unter dem Stichwort Kondo-Effekt.

Bei tiefen Temperaturen ist also beeinflussbar, ob ein Elektron lokal einen Platz einnimmt, und so einem Orbital zuzurechnen ist, oder ob es delokalisiert und zur Leitfähigkeit beiträgt. Zumindest in der Forschung kann das Elektronengas also Schrittweise gesteuert werden.

Die Festkörperphysikerin untersuchte ein Material aus Palladium, Silizium und Cer. Der Spin beeinflusst auch die magnetischen Eigenschaften, was sich als wichtiges Stellrad der Forschung herausstellte. Denn durch ein äußeres Magnetfeld ließen sich nahe dem absoluten Nullpunkt die Freiheitsgrade der Elektronen Ein- und Ausschalten. So konnten verschiedene physikalische Eigenschaften der Bindungen gezielter untersucht werden.

Wenn also künftig Werkstoffe designt werden, deren besondere Stoffeigenschaften wie eine widerstandsarme Leitfähigkeit von der Wechselwirkung verschiedener elektronischer Eigenschaften auf Ebene der Elementarteilchen abhängen, werden einfache Prinzipien für die richtige Kombination und Steuerungsfähigkeit wichtig sein. Im Unterricht werden die Grenzen bisheriger Bindungsmodelle durch solche Werkstoffe besonders herausgefordert.


Zum Weiterlesen:

Bericht aus Wien

Unterricht Chemie 30 (2019), Nr. 169

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