Simulation sagt exotischen Quantenkristall voraus

Neue Materieform vereint bisher bekannte Kristalltypen

Dichteverteilung der Quantenteilchen (Exzitonen)
Dichteverteilung der Quantenteilchen (Exzitonen)

Kiel - Normalerweise werden Kristalle in zwei Typen eingeteilt, die auf unterschiedliche Weise entstehen und sich bisher nicht kombinieren ließen. Doch Forscher der Universität Kiel entwickelten nun eine Simulation, die eine Vereinigung der beiden Materieformen vorhersagt. Sie beobachteten das Verhalten einer Quantenflüssigkeit in Halbleiter-Nanostrukturen und errechneten so die Druck- und Temperaturbedingungen, bei denen der neue Kristalltyp entstehen soll.

Das Verhalten der neuen Materieform wird für Kristalle aus Exzitonen vorhergesagt, das sind Strukturen mit Elektron-Lochpaaren, die in Halbleitern zum Beispiel durch Anregen eines Elektrons entstehen. In Kristallen aus solchen Exzitionen können laut den Simulationen der Physiker Jens Böning, Alexei Filinov und Michael Bonitz die Schmelzprozesse der beiden bereits bekannten Kristalltypen koexistieren. Die Wissenschaftler der Universität Kiel haben auch berechnet, in welchen Materialien dieses Verhalten beobachtet werden kann: Besonders gut sollen sich Zink-Selenid und Gallium-Arsenid eignen.

Die bereits bekannten Materieformen von Kristallen entstehen bei unterschiedlichen Prozessen. Die meisten Kristalle, mit denen wir in unserem Alltag zu tun haben, entstehen durch die Kompression einer Flüssigkeit und gehören zum ersten Typ. Die zweite Materieform entsteht auch aus einer Flüssigkeit, allerdings durch Verringerung des Drucks. Der zweite Kristalltyp tritt zum Beispiel in dichten Quantenflüssigkeiten geladener Teilchen oder in Neutronensternen auf.

Die Exzitonen, also die Elektron-Lochpaare, sollen die Bauteile des neuen dritten Kristalltyps in Halbleiter-Nanostrukturen sein. Sie bilden bei niedrigem Druck und tiefen Temperaturen eine Quantenflüssigkeit. Erhöhter Druck lässt sie zu einem Exzitonenkristall gefrieren, bei weiterer Kompression beeinflussen die Quanteneigenschaften der Elektron-Lochpaare den Prozess und der Kristall schmilzt zu einer Supraflüssigkeit, die reibungsfrei fließt. Die Physiker hoffen, dass ihre Ergebnisse bald auch experimentell bestätigt werden.