Der Festkörperphysiker Jan Kuneš wechselt von Prag nach Wien – mit einem hochdotierten ERC-Grant im Gepäck. Er beschäftigt sich mit exotischen magnetischen Materiezuständen. Foto (c) TU-Wien

Neuer ERC-Grant an der TU Wien
Mit Phasenübergängen haben wir jeden Tag zu tun – etwa wenn die Suppe kocht oder die Eiswürfel im Cocktailglas schmelzen. Es gibt aber auch ganz andere Phasenübergänge, bei denen ein Material seine magnetischen oder elektrischen Eigenschaften ändert, und mit solchen Übergängen beschäftigt sich Jan Kuneš. 2014 wurde er vom European Research Council (ERC) mit einem ERC Consolidator Grant ausgezeichnet, nun wechselte er von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag an das Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Seine hochdotierte ERC-Forschungsförderung nimmt er mit, auch seine Forschungsgruppe wird demnächst nach Wien übersiedeln. Somit verstärkt Kuneš mit seinem Team nun den materialwissenschaftlichen Forschungsschwerpunkt „Materials and Matter“ der TU Wien.

Elektronen und Löcher
In einem festen Körper können Elektronen unterschiedliche Zustände annehmen. So ist es beispielsweise möglich, dass sich in einem Metall ein Elektron mit hoher Energie frei bewegt, während andere Elektronen mit niedrigerer Energie an einem bestimmten Atom sitzen und sich nicht von ihm lösen können. Wenn man ein solches Elektron entfernt, bleibt an einem bestimmten Atom ein sogenanntes „Loch“ zurück: Irgendwo im Festkörper fehlt ein Elektron, die Stelle ist positiv geladen, Elektronen von den Nachbaratomen können nachrücken. Dadurch beginnt das „Loch“ zu wandern, ähnlich wie energiereichere Elektronen quer durch das Material wandern können.

Ein Loch und ein bewegliches Elektron können auch einen gemeinsamen Bindungszustand eingehen und sich gemeinsam durch das Material bewegen, man spricht dann von einem „Exziton“. Ein solches Exziton ist zwar ein recht abstraktes Objekt – eine Bindung zwischen einem Elektron mit einer bestimmten Energie und dem Fehlen eines Elektrons in einem anderen Energiezustand – aber es lässt sich mathematisch ähnlich beschreiben wie ein Teilchen, das durch das Material wandert.

Das Kondensieren der Exzitonen
„Wir entwickeln theoretische Modelle, mit denen man das Verhalten dieser Exzitonen beschreiben kann“, erklärt Jan Kuneš. Insbesondere beschäftigt er sich mit dem Phänomen der „exzitonischen Kondensation“. Vergleichen lässt sich das mit einem Bose-Einstein-Kondensat, einem quantenphysikalisch besonders interessanten Materiezustand, den bestimmte Atome bei extrem tiefen Temperaturen einnehmen. Sie befinden sich dann alle gemeinsam im Zustand minimaler Energie, sind nicht mehr voneinander unterscheidbar und bilden ein gemeinsames großes Quantenobjekt.

Mit Exzitonen im Festkörper kann etwas ganz Ähnliches passieren: Auch sie können alle denselben Quantenzustand einnehmen, kondensieren und dabei überraschende neue Eigenschaften hervorbringen – allerdings benötigt man dafür keine extrem tiefen Temperaturen wie bei Bose-Einstein-Kondensaten, die Kondensation von Exzitonen kann auch bei hohen Temperaturen stattfinden.

„Wir wollen damit erklären, wie Materialien unter bestimmten Bedingungen ihre magnetischen Eigenschaften ändern, oder auch von einem supraleitenden zu einem nicht supraleitenden Zustand wechseln“, sagt Jan Kuneš. Das Konzept der Kondensation von Exzitonen wird zwar schon seit Jahren auf der ganzen Welt intensiv diskutiert, trotzdem steht dieser Forschungsbereich erst am Anfang: „Man ist heute noch auf der Suche nach den passenden Materialien, mit denen man solche Effekte am besten zeigen kann“, sagt Jan Kuneš. „Ein guter Kandidat ist Lanthan-Kobalt-Oxid. Hier gibt es bereits sehr interessante Messergebnisse, die gut zu unseren theoretischen Modellen passen.“

Internationale Forschungslaufbahn
Jan Kuneš studierte Physik an der Universität Prag, wo er 2002 auch promovierte. Danach ging er als Postdoc an die University of California in Davis, ab 2006 forschte er an der Universität Augsburg. 2010 kehrte er schließlich nach Prag zurück und arbeitete als Senior Scientist an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften. Seit September 2016 ist er nun an der TU Wien tätig, Anfang Oktober wurde sein ERC Consolidator Grant offiziell an die TU Wien übertragen.

Quelle: Technische Universität Wien

Rückfragehinweis:
Jan Kunes, PhD
Institut für Festkörperphysik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13761
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