Die Ladungsträger (blau: Elektronen, rot: Löcher) eines Leiters werden durch das Magnetfeld (schwarze Pfeile) von ihrer ursprünglichen Stromrichtung (grüner Pfeil) abgelenkt.
Yulin Chen
Mit dem Weyl-Metall Niobphosphid gelang es Forschern, den Riesenmagneto-Widerstand auf einfache Art und Weise zu erzeugen. Das bietet ein enormes Potential für künftige Anwendungen in der Informationstechnologie.
Immer mehr, immer schneller, immer kleiner. Daten haben hohe Ansprüche an die Elektronik auf der sie gespeichert werden. Weil sich diese Anforderungen mit herkömmlichen elektronischen Bauteilen nicht mehr umsetzen lassen, nutzen Ingenieure einen physikalischen Effekt – den Riesenmagneto-Widerstand. Wie die Springer-Autoren Professor Wolfram Schiffmann, Helmut Bähring und Udo Hönig in „Massenspeichermedien“ ab Seite 153 beschreiben, nutzen etwa moderne Festplatten dieses Phänomen, bei dem sich der Widerstand eines Materials stark ändert, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Bisher nutzt die Computer-Industrie verschiedene, filigran übereinander geschichtete Materialien, um den Effekt zu erzielen.
Nun aber gelang es Max-Planck-Wissenschaftlern in Dresden, erstmals einen fast 10.000-fachen Anstieg des Widerstandes in einem einzigen Material, nämlich Niobphosphid (NbP), zu beobachten. Der Widerstand von Niobphosphid ändert sich in einem Magnetfeld so drastisch, weil das Feld die Ladungsträger durch die sogenannte Lorentzkraft ablenkt. Diese Kraft führt dazu, dass bei steigendem Magnetfeld ein immer größerer Teil der Elektronen gewissermaßen in die falsche Richtung fließt. Dadurch wächst der elektrische Widerstand. Physiker nennen diese Eigenschaft Magneto-Widerstand.
Rasende Elektronen erzeugen Riesenmagneto-Widerstand
„Die Lorentzkraft und damit der Einfluss eines Magnetfeldes ist umso größer, je schneller sich die Elektronen im Material bewegen“, erläutert Binghai Yan, Forscher am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden. Er und seine Kollegen kamen deshalb auf die Idee, eine Verbindung aus dem Übergangsmetall Niob (Nb) und Phosphor (P) zu untersuchen. In diesem Material gibt es sogenannte relativistische Elektronen, die sich mit etwa 300 Kilometer pro Sekunde bewegen.
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Für ihre Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler neben dem Hochfeld-Magnetlabor Dresden auch das High Field Magnet Laboratory an der Radboud University in Nimwegen, Niederlande, und die Diamond Light Source in Oxfordshire, England. Die Wissenschaftler fanden dabei auch heraus, weshalb die Elektronen so extrem schnell und beweglich sind. Für die exotischen Eigenschaften sind nämlich spezielle elektronische Zustände in Niobphosphid verantwortlich: Einige Elektronen in diesem sogenannten Weyl-Metall verhalten sich, als seien sie masselos. Sie können sich daher besonders schnell bewegen.