Thermoelektrische Eigenschaften von Quantenmaterialien

Das Phänomen der Thermoelektrizität - der Wechselbeziehung zwischen elektrischen und thermischen Feldern im Festkörper - wurde vor über 200 Jahren entdeckt. Unser Verständnis der mikroskopischen Ursachen ist aber auch heute noch zu grob, um Temperatur- und Feldabhängigkeiten selbst einfacher Metalle quantitativ beschreiben zu können. Daher verläuft auch die durch die wachsende Energie- und Umweltproblematik weltweit mit Nachdruck betriebene Suche nach anwendbaren thermoelektrischen Materialien großteils empirisch. In der Grundlagenforschung haben sich thermoelektrische Messungen als extrem empfindliche, wenn auch weitgehen unverstandene Sonden der beweglichen Elektronen im Festkörper bewiesen, besonders für elektronisch hochkorrelierte Materialien. Thermoelektrische Eigenschaften von Quantenmaterialien sind weitgehend unerforscht. Dies hat technische Gründe. Während für die Messung physikalischer Eigenschaften wie des elektrischen Widerstands oder der spezifischen Wärme heute kommerzielle Apparaturen mit guter Messgenauigkeit zur Verfügung stehen, verlangen genaue Messungen der thermoelektrischen Größen (Thermokraft, thermische Leitfähigkeit, Nernsteffekt) bei tiefen Temperaturen und in hohen Magnetfeldern ausgeklügelte Messabläufe, die jahrelange Erfahrung voraussetzen. Die beiden Partner dieses Projekts können auf solche Erfahrungen zurückblicken und gehören zu den weltweit führenden Gruppen, die thermoelektrischen Phänomene in Quantenmaterialien erforschen. Ziel der Zusammenarbeit ist, hochauflösende Messungen an den folgenden Quantenmaterialien durchzuführen: quantenkritische Schwere-Fermionen-Systeme und quantenkritischer Graphit, Kondoisolatoren, ihre residuelle elektronische Zustandsdichte am Ferminiveau und deren möglicher Zusammenhang mit metallischen Oberflächenzuständen in topologischen Isolatoren und Halbmetalle im Quantenlimit. Das gleichzeitige und vernetzte Studium dieser drei Materialklassen lässt neue Erkenntnisse zu bisher nur erahnten theoretischen Zusammenhängen erhoffen. Dieses dürfte auch zu einer gerichteteren Suche nach neuen Materialien für thermoelektrische und thermomagnetische Anwendungen führen.

Thermoelektrizität ist die Eigenschaft von Festkörpern, Temperaturdifferenzen direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Was wie ein einfaches Rezept für einen thermoelektrischen Generator klingt, basiert auf dem komplexen Zusammenspiel zwischen elektrischen und thermischen Feldern im Festkörper, das uns tiefen Einblick in seine grundlegende Natur gewährt. Mittels thermoelektrischen Messungen fundamentale Prozesse in Quantenmaterialien zu verstehen, war die Hauptmotivation des Projekts.Zwei Forscherteams, mit Sitz in Paris und Wien, zusammen mit ihrem Netzwerk von internationalen Partnern, haben sich in diesem Projekt Quantenmaterialien von besonderem Interesse gewidmet. Das Team in Frankreich konzentrierte sich auf schwach korreliert Halbmetalle, topologische Isolatoren und Supraleiter, das Team in Österreich auf stark korrelierten Metalle, Halbmetalle und Halbleiter. Thermoelektrische Messungen unter den Bedingungen, die zu Studium dieser Materialien notwendig sind oftmals sehr niedrige Temperaturen und hohe Magnetfelder sind extrem anspruchsvoll. Der intensive Austausch zwischen den beiden Gruppen war entscheidend, um diese Experimente zur Perfektion zu bringen, und zwar sowohl in den Heimlaboren als auch bei internationalen Hochfeld-Einrichtungen. Die wichtigsten Ergebnisse an den stark korrelierten Systemen (Wien) umfassen ein besseres Verständnis davon, wie sich metallische und isolierende, sowie paramagnetische und magnetisch geordnete Quantenphasen ineinander umwandeln, wie residuelle elektrische Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen in korrelierten Isolatoren entstehen kann und wie man sogar Phononen, die Quanten der Gitterschwingungen, zu stark korrelierten Eigenschaften verhelfen kann. Diese Erkenntnisse werfen neue grundlegende Fragen auf. Andererseits helfen sie, bessere Materialien für praktische Anwendungen auf dem Gebiet der Thermoelektrizität zu entwerfen.