Wien (TU). – Das Abkühlen bestimmter Arten von Materie könnte viel teurer kommen als bisher angenommen. Das fanden Karsten Held, Professor für Festkörperphysik an der Technischen Universität Wien, und sein junger Kollege Alessandro Toschi heraus. Die beiden TU-Forscher hatten in Berechnungen einen Effekt vorhergesagt, der in Experimenten von KollegInnen in Japan vor kurzem eindrucksvoll bestätigt wurde. Die Ergebnisse des internationalen Teams wurden Ende Februar 2009 in der wissenschaftlichen Zeitschrift  Physical Review Letters veröffentlicht.

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Nobelpreis-Theorie ergänzt

„Wir haben entdeckt, dass beim stetigen Absenken der Temperatur von Materie in der dafür benötigten Energie ein deutlicher Knick auftritt“, erklärt Held die neuen Forschungsergebnisse. „Wenn man ein Stück Materie stark abkühlt, so muss man ihm ab der Temperatur, bei der dieser Knick auftritt, deutlich mehr Energie entziehen, als die Fermi-Flüssigkeits-Theorie von Landau vorhersagt“, so Held. Der russische Physiker Lev Landau hatte für seine Theorie im Jahr 1962 den Physik-Nobelpreis bekommen. Die spezifische Wärme ist ein Ausdruck für die Energie, die Materie einer bestimmten Zusammensetzung zugeführt oder entzogen werden muss, um die Temperatur eines Gramms davon um ein Kelvin zu erhöhen oder abzusenken. Abhängig von der Art, wie nun Elektronen in einem Stück Materie einer bestimmten Zusammensetzung miteinander wechselwirken, sieht der Kurvenverlauf der spezifischen Wärme aus. „Bei bestimmten Stoffzusammensetzungen entstehen Gemische, in denen sich die Elektronen besonders stark beeinflussen“, erklärt Alessandro Toschi.

Von Gitterschwingungen überlagert

Für die Bestätigung ihrer mathematischen Vorhersagen wählten die Forschenden daher eine Verbindung aus Lithium, Vanadium und Sauerstoff, die sich für die Experimente besonders gut eignete. „Der Vorteil dieses Materials war, dass wir den Knick bei einer extrem niedrigen Temperatur von fünf bis sechs Kelvin bekamen, in diesem Bereich sind die Störsignale durch Gitterschwingungen sehr klein und stören die Messungen des Elektronensystems kaum“, sagt Toschi. Laut Karsten Held tritt der entdeckte Knick in der spezifischen Wärme grundsätzlich immer auf, wenn die Bewegung der Elektronen stark korreliert ist. „Allerdings wird er bei höheren Temperaturen von anderen Effekten wie Gitterschwingungen überlagert“, so Held.

Die Ursache für dieses bisher unentdeckte Verhalten der Materie sehen Held und Toschi in so genannten selbstkonsistenten Quanteneffekten, die auftreten, wenn sich Elektronen gegenseitig stark beeinflussen. Das ist zum Beispiel in modernen Supraleitern, Thermoelektrika oder so genannten Schwere-Fermionen-Systemen der Fall.

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Referenz der Publikation: Phys. Rev. Lett. 102, 076402 (2009)
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link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.076402, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

 

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Institut für Festkörperphysik
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