Pressemeldung: Tantalphosphid – Widerstandsverhalten entschlüsselt

27. Mai 2016

Wissenschaftlern am Max-Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe ist es gelungen, das rätselhafte Widerstandsverhalten des Halbmetalls Tantalphosphid (TaP) in hohen Magnetfeldern zu erklären. TaP und seine Schwesterverbindungen Tantalarsenid und Niobphosphid und -aresnid gehören zu einer Gruppe neuartiger Metalle, sogeannter Weyl-Halbmetalle. Ähnlich wie im Halbmetall Graphit gibt es in diesen Materialien sogenannte Weyl-Elektronen, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit durch das Material bewegen. Diese Weyl-Elektronen lassen sich anhand ihrer Bewegungsrichtung und ihres Magnetismus in zwei Gruppen einteilen. Hierbei erscheinen Elektronen der einen Gruppe als Spiegelbild der anderen, wie etwa die rechte und die linke Hand. Diese sogenannte Chiralität der Elektronen führt nun theoretisch zu einem verschwindenden Widerstand, wenn hohe Magnetfelder parallel zum Strom angelegt werden.

F. Arnold und C. Shekhar et al. konnten in ihrem Artikel nun zeigen, dass der beobachtbare negative Magnetowiderstand in TaP jedoch nicht durch chirale Elektronen, sondern durch einen vom Magnetfeld gebündelten Strahl aus Elektronen hervorgerufen wird.

Durch die erfolgreiche Kollaboration theoretischer und experimenteller Forscher des Instituts unter der Leitung von Dr. Binghai Yan und Dr. Elena Hassinger mit Forschern des Max-Planck Instituts für Physik komplexer Systeme ist es gelungen, die elektronischen Zustände von TaP zu ergründen. Dazu wurden Magnetisierungs- und Widerstandsoszillationen in hohen Magnetfeldern nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt gemessen. Diese sogenannten Quantenoszillationen sind ein Fingerabdruck der elektronischen Struktur eines Metalls und lassen mit Hilfe der Rechnungen Rückschlüsse über die Art und Anzahl von Ladungsträgern in einem Material zu. Dank dieser Informationen konnten die Forscher zeigen, dass TaP keine chiralen Elektronen besitzt. Die Wissenschaftler suchten daher nach alternativen Erklärungen für den misteriösen Magnetwiderstand und fanden sie in einem Magnetfeld-getriebenen Elektronenstrahl, der in Materialien mit hohen Elektronengeschwindigkeiten vorkommt, und in der vorliegenden Studie durch das unterschiedliche Verhalten von zwei Spannungskontakt-Paaren sichtbar gemacht wurde.

In neuen Experimenten versuchen die Wissenschaftler nun, die elektronische Struktur von TaP durch Beimischung von anderen Elementen wie Arsen und Silizium so zu beeinflussen, dass die chiralen Eigenschaften der Elektronen sichtbar werden. Dies wäre dann die erste Realisierung von masselosen chiralen Teilchen, wie sie 1929 von Hermann Weyl vorhergesagt wurden [1].

 [1] Weyl, H. Zeitschrift Physik 56, 330–352 (1929)

FA / CPfS

Figure 1. A) Abbildung der elektronischen Zustände in TaP. Elektronen die sich entlang der blauen und roten bananen-förmigen Fermiflächen bewegen erzeugen die magnetischen und Widerstandsozillationen in B) und C) . D) zeigt das ungewöhnliche Widerstandverhalten in TaP. Hierbei berechnet sich der Magnetowiderstand aus MR = (V(B)-V(0))/V(0). Während der Widerstand gemessen im Elektronenstrahl scheinbar steigt (V2), fällt er an der Oberfläche der Probe (V1).

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