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Thema 2: Verblüffender Beschuss von Elektronen mit Ionen

Wenn man eine Münze wirft, versetzt man sie in einen Zustand höherer Energie, bis sie wieder herunterfällt, heißt es. Dann kann sie zwei verschiedene Zustände annehmen – bekanntlich Kopf oder Zahl. Egal in welchem Zustand die Münze vorher war, nach dem Wurf sind beide Varianten gleich wahrscheinlich, sofern die Münze nicht unwuchtig sondern ideal geformt ist. Soviel zum Vorspiel! Ein Team der TU Wien hat nun ein Quantensystem analysiert, bei dem es ebenfalls zwei gleichberechtigte Grundzustände gibt: Wenn man dem Energie zuführt, indem man es mit Ionen beschießt, kann man diesen Zustand ändern.

Erstaunlicherweise verhält sich dieses System aber ganz anders als die Münze, denn es wird jedes Mal umgeschaltet. Es endet nach dem Ionenbeschuss zuverlässig im entgegengesetzten Zustand. Für das Experiment wurde das Equipment der TU Wien ans DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg transportiert. Die untersuchten Kristalle stammen von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die ebenfalls an den Experimenten am DESY beteiligt war.

Zwei mögliche Oberflächenkonfigurationen gibt es

„Wir untersuchen ein ganz besonderes Material, nämlich Tantaldisulfid, das Quantenmaterial 1T-TaS2“, lässt Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien wissen. Die Teilchen in diesem Material verhalten sich nämlich ganz anders als man das von Objekten aus dem Alltag gewohnt sind, wie es dazu heißt. Denn die Tantaldisulfid-Elektronen sind miteinander stark korreliert. Das bedeutet, dass man sie nicht unabhängig voneinander betrachten kann. Wilhelm: „Wenn wir Ionen auf dieses Material schießen, dann interagieren diese Ionen nicht einfach nur mit einem Elektron, das sie dort treffen, sie wechselwirken gewissermaßen mit dem gesamten Elektronen-Kollektiv auf einmal.“

Interessant an Tantaldisulfid sei auch, dass sich die Elektronen auf zwei verschiedene Arten anordnen könnten. Genau wie die Münze, die mit der Kopf- oder der Zahlseite nach oben auf dem Tisch liegen kann, haben beide dieser Varianten dieselbe Energie. „Die Elektronen erzeugen an der Oberfläche des Materials ein sechseckiges Sternmuster“, führt Anna Niggas, die Erstautorin der neuen Arbeit, weiter aus. Dieses Elektronen-Muster kann aber in zwei verschiedene Richtungen gedreht sein, ähnlich wie ein Drehschalter, den man zwischen zwei Positionen hin- und herschalten kann.

Ionenbeschuss bringt eigentlich alles durcheinander

Die Forschungsgruppe an der TU Wien untersucht auch schon seit vielen Jahren, wie sich Materialien unter Beschuss mit energiereichen Ionen verhalten. Um zu sehen, was speziell mit Tantaldisulfid in dieser Situation passiert, transportierte man die Ionen-Anlagen der TU Wien, wie oben schon erwähnt, ans DESY nach Hamburg – eine Großforschungsanlage, die extrem intensive Strahlung erzeugen kann, mit der sich die Elektronen des Materials untersuchen lassen. „Wenn unsere schnellen, hochgeladenen Ionen auf der Tantaldisulfid-Oberfläche einschlagen, dann wird das Elektronen-System massiv aus dem Gleichgewicht gebracht“, so Wilhelm. Doch manche Elektronen werden herausgeschlagen, andere gehen in höhere Energiezustände über. Auch Elektronen, die weiter im Materialinneren sitzen, werden massiv beeinflusst, heißt es.

Nach dieser turbulenten Phase kehrt das System wieder in einen der beiden möglichen Grundzustände mit niedriger Energie zurück. Nun könnte man meinen, dass die Wahrscheinlichkeit für die beiden möglichen Zustände jeweils 50 Prozent ist – genau wie bei einer geworfenen Münze. Aber erstaunlicherweise ist das nicht so! Der Ionenbeschuss schaltet in Wirklichkeit den Zustand des Materials um. Die Tantaldisulfid-Oberfläche befindet sich danach jeweils im anderen Zustand als vorher. Diese überraschende Eigenschaft habe mit den komplexen Quanten-Korrelationen der Elektronen zu tun. In der turbulenten Zwischenphase, direkt nach dem Ioneneinschlag, beginnt sich zunächst an der Materialoberfläche punktuell eine neue Ordnung zu formieren. Die Kopplung zwischen den Elektronen der Oberfläche und den Elektronen im Inneren des Materials ist durch den Ioneneinschlag aber völlig anders als zuvor. Das bewirkt, dass in diesem Fall genau die entgegengesetzte Elektronenkonfiguration energetisch besser zu den Elektronen im Inneren des Materials passt. Quanteneffekte sorgen also dafür, dass das Ergebnis danach nicht völlig zufällig ist, sondern dass es sogar zu einem vorhersagbaren Umschalten kommt.

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