Festkörperphysik

Gegenstand und Bedeutung

Die Festkörperphysik (FKP; englisch solid state physics) untersucht Materie im festen Aggregatzustand und ist ein Teilgebiet der Physik der kondensierten Materie (condensed matter physics). Besonders wichtig sind kristalline Festkörper. Ihr Aufbau ist translationssymmetrisch, also periodisch wiederholt. Diese Periodizität vereinfacht die physikalische Beschreibung vieler Erscheinungen stark oder ermöglicht sie erst.

Deshalb wird das Modell des idealen Kristallgitters oft auch bei Materialien verwendet, deren Periodizität nur lokal oder eingeschränkt vorhanden ist. Abweichungen von der strengen Periodizität werden dann durch Korrekturen erfasst. Nicht-kondensierte Materie wird dagegen im Gebiet der Weichen Materie untersucht. Auch Supraleiter gehören zur Festkörperphysik.

Kristalline, teilkristalline und amorphe Stoffe

Kristalline Festkörper besitzen einen periodischen Aufbau; ihre Physik wird auch Kristallphysik genannt. Die Kristallstruktur beschreibt ihre statische, periodische Ordnung. Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik dieser Ordnung. Sie werden häufig mithilfe von Quasiteilchen beschrieben, also modellhaften Anregungen im Festkörper; Gitteranregungen heißen Phononen.

Die regelmäßig angeordneten Atome und insbesondere ihre Elektronenhüllen führen zum Bändermodell und zur Bandstruktur. Deren Parameter erlauben es, makroskopische Eigenschaften wie optische Eigenschaften zu berechnen. Eine weitere Form statischer Ordnung ist die magnetische Ordnung der magnetischen Momente, etwa Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Spindichtewellen und Magnetooptik. Die dynamischen Anregungen dieser magnetischen Ordnung heißen Magnonen.

Teilkristalline Stoffe können Nahordnung besitzen, aber keine ausgeprägte Fernordnung. Ein Parakristall weist beispielsweise eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5–6 Å auf, ist aber kein Kristall mit ausgeprägter Fernordnung. Amorphe Festkörper besitzen keine Fernordnung; Beispiele sind Glas und unterkühlte Schmelzen. Metallisches Glas ist ebenfalls ein amorpher Festkörper.

Ordnung und Grenzflächen

Für die Regelmäßigkeit eines Festkörpers unterscheidet man Nahordnung im Bereich weniger Nanometer von Fernordnung über deutlich größere Entfernungen. Bei amorphen Stoffen umfasst die Ordnung nur die nächsten und übernächsten Teilchen, etwa bei Glas. Nanokristalline Stoffe sind im Nanometerbereich geordnet; als Beispiel wird der Parakristall genannt. Mikrokristalline Ordnung reicht bis zu Mikrometern, beispielsweise bei Quarz, polykristalline bis zu Millimetern, beispielsweise bei polykristallinem Diamant. Monokristalline Fernordnung kann sich über Zentimeter erstrecken, etwa bei monokristallinen Ingots.

In niedrig-dimensionalen Systemen kann zusätzlich quasi-Fernordnung (quasi long range order) auftreten, zum Beispiel bei Kosterlitz-Thouless-Übergängen. Nach dem Mermin-Wagner-Theorem kann es in Festkörpern mit zwei oder weniger Dimensionen keine echte Fernordnung geben. Im XY-Modell für Spins zeigt sich quasi-Fernordnung durch eng gebundene Paare aus Löchern und „Anti-Löchern“. Das Geschlecht dieser Paare ist insgesamt null; sie beeinflussen die gemäß Mermin-Wagner-Theorem gebrochene Fernordnung im Kristall kaum.

Die Grenzflächenphysik untersucht Besonderheiten an Grenzflächen. Oberflächenphysik ist ihr Spezialfall für Grenzflächen zum Vakuum. Die Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe einer Grenzfläche unterscheiden sich wegen nicht-periodischer Randbedingungen von denen im Inneren eines Festkörpers, dem Volumen-Festkörper.

Forschung und aktuelle Themen

Die Festkörperphysik wird an zahlreichen Instituten, Universitäten und in Forschungsverbänden betrieben; die genannte Auswahl ist ausdrücklich nicht vollständig. Beispiele sind das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, die Max-Planck-Institute für Mikrostrukturphysik und für Festkörperforschung sowie die Sektion Kondensierte Materie (SKM) der DPG.

Weltweit werden Fachpreise vergeben, darunter der Walter-Schottky-Preis der DPG und der Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize der APS. Der Festkörperphysik lassen sich außerdem viele Nobelpreise zuordnen.

Zu den modernen Forschungsthemen zählen Graphen, „Heavy-Fermion“-Systeme, Hochtemperatursupraleiter, Quasikristalle, Silicen, Skyrmionen und Spin-Glas.

Wichtige Untersuchungsmethoden

Festkörperphysikalische Methoden dienen dazu, insbesondere funktionelle Materialien zu untersuchen und ihre Eigenschaften aus der Struktur heraus zu verstehen. Das ist unter anderem für Elektronik, Computerchips, Halbleitertechnik, Solarzellen, Batterien, Beleuchtung, Metalle und Isolatoren bedeutsam.

Die Röntgenbeugung untersucht mithilfe der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallgittern Symmetrieeigenschaften. Festkörper können in 230 Raumgruppen vorkommen. Röntgendiffraktometer werden außerdem verwendet, um Qualität, Reinheit und Kristallitgröße eines Materials zu prüfen.

Die Neutronenbeugung beruht auf demselben Grundprinzip, verwendet aber Neutronen statt Röntgenstrahlen. Diese werden meist in Forschungskernreaktoren bereitgestellt. Wegen der anderen Welleneigenschaften des massereichen Neutrons sind die Diffraktometer meist mehrere Meter groß. Neben den 230 Raumgruppen lassen sich besonders magnetische Ordnungen in Kristallen untersuchen. Unter Einbezug des Spins gibt es 1651 magnetische Raumgruppen.

Magnetometer messen magnetische Eigenschaften. Häufig wird ein SQUID zusammen mit Kryostaten eingesetzt, um Arten des Magnetismus zu bestimmen und magnetische Phasendiagramme zu ermitteln. Tracerdiffusion untersucht die Bewegung von Atomen und Ionen in Kristallen. Dies ist etwa für Dotierungsprozesse und die Temperaturstabilität von Materialien wichtig, zum Beispiel bei der Festoxidbrennstoffzelle.

Methoden der Nuklearen Festkörperphysik erfassen im Unterschied zu makroskopischen Messungen lokale Strukturen auf atomarer Ebene. Atomkerne dienen dabei als Sonden. So lassen sich etwa das Magnetfeld am Ort eines Kerns, lokale Gitterdefekte und elektrische Feldgradienten bestimmen. Feldgradienten helfen, lokale Strukturen sowie ihre Änderungen durch Temperatur- oder Konzentrationsänderungen bestimmter Materialkomponenten zu erforschen. Beispiele für Messmethoden sind Mößbauer-Spektroskopie, Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation, Kernspinresonanzspektroskopie und Myonenspinspektroskopie.