Festkörperphysik

Festkörperphysik, Teilgebiet der Physik, das die physikalischen Phänomene und Eigenschaften behandelt, die man bei Festkörpern vorfindet. Unter dem Begriff Festkörper fasst man u. a. die so genannten kristallinen Festkörper sowie nicht regelmäßig strukturierte Materialien wie beispielsweise Gläser, Keramik, manche organische Substanzen, Polymere und Verbundwerkstoffe zusammen. Grundlage der theoretischen Beschreibungen von Festkörpern sind die kompliziert erscheinenden Forschungsgebiete der Quantenstatistik, der Quantenmechanik sowie der so genannten Quantenfeldtheorien. Diese Wissenschaftszweige finden ihren Ursprung zum Teil in der Quantentheorie. Von den zahlreichen Meilensteinen der Festkörperphysik seien als ausgewählte Beispiele die Beugung von Röntgenstrahlen zur Strukturuntersuchung von Kristallen (entdeckt 1912 durch Max von Laue), ferner die Entdeckung der Halbleiter in den zwanziger Jahren sowie die theoretischen Grundlagen der Supraleitfähigkeit in den fünfziger Jahren genannt (Heike Kamerlingh Onnes). Diese Entdeckungen führte letztendlich zur Entwicklung so wichtiger Bauteile bzw. Geräte wie Transistoren, optischer Fasern und Halbleiterlaser (siehe Laser). Im 21. Jahrhundert werden möglicherweise andere Materialien mit neuartigen Eigenschaften im Vordergrund des Interesses stehen.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse, welche die Festkörperphysik lieferte, ist die Erklärung der energetischen Verhältnisse in Festkörpern. Ein Elektron kann in einem einzelnen Atom nur in ganz bestimmten (diskreten) Energieniveaus vorliegen (siehe Atom). Ein kristalliner Festkörper beispielsweise eines Elements besteht aber aus sehr vielen identischen Atomen in einer regelmäßigen räumlichen Anordnung. Hier verschmelzen die einzelnen Niveaus zu Bändern mit praktisch kontinuierlich aufeinander folgenden erlaubten Energieniveaus; zwischen diesen Bändern können Energiebänder liegen, die für die Elektronen verboten sind (Metalle: Energiebändermodell). Diese energetische Bandstruktur ist ein entscheidendes Merkmal kristalliner Festkörper, in denen im Prinzip jedes Atom in der Lage ist, eines oder mehrere seiner äußeren (Valenz-)Elektronen zum Füllen der erlaubten Bänder beizusteuern. Nach dem Ausschließungsprinzip, das von Wolfgang Pauli aufgestellt wurde, wird jedes Energieniveau im betreffenden Band von je zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin besetzt. Am absoluten Temperaturnullpunkt sind die Niveaus im Kristall von unten her komplett gefüllt. Das höchste hierbei besetzte Niveau bezeichnet man als Fermi-Niveau – dieses Energieniveau ist nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi benannt worden. Die Lage des Niveaus relativ zu den erlaubten und den besetzten Energiebändern bestimmt, ob der Kristall den elektrischen Strom leiten kann oder nicht.

Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt haben einige Elektronen höhere Energien, können also in darüber liegende, leere Niveaus gelangen. Wenn sich direkt über dem Fermi-Niveau erlaubte Energieniveaus befinden, so ist der Kristall ein elektrischer Leiter. Das ist der Fall, wenn das Fermi-Niveau innerhalb eines erlaubten Bandes liegt, d. h. wenn dieses nur teilweise gefüllt ist. Gute Leiter sind beispielsweise die Metalle Silber und Kupfer. Bei ihnen liegt das Fermi-Niveau mitten in einem erlaubten Band, und schon geringste Energien können Elektronen aus den höchsten besetzten Niveaus in die tiefsten zuvor nicht besetzten Niveaus anheben. Von dieser Beweglichkeit der Elektronen rührt also die Eigenschaft bestimmter Kristalle her, dass sie Elektrizität und auch Wärme leiten. Eng damit verknüpft ist ihre Fähigkeit, Licht zu absorbieren oder undurchsichtig zu sein. Wenn das Fermi-Niveau an der Oberkante eines erlaubten Bandes liegt (dieses also komplett besetzt ist) und außerdem eine energetische Lücke zum nächsthöheren erlaubten Band besteht, so ist der Festkörper ein Nichtleiter bzw. Isolator, wie etwa Diamant oder Quarz. Weil hier nur sehr hohe Energien die Elektronen anregen können, leitet ein Isolator den Strom praktisch nicht und die Wärme nur schlecht. Ferner kann er kaum Licht absorbieren und ist daher meist durchsichtig. Wenn das Fermi-Niveau schließlich energetisch nahe unter einem erlaubten Band liegt, also nur eine kleine Lücke zwischen besetztem und leerem Band besteht, so handelt es sich um einen Halbleiter. Bekanntestes Beispiel ist das Silicium.

In den letzten Jahrzehnten ist die Supraleitung ein immer wichtigerer Gegenstand der Festkörperphysik geworden. Normalerweise wird der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters mit abnehmender Temperatur stetig geringer. Einige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt verlieren die meisten Metalle abrupt ihren gesamten elektrischen Widerstand, werden also zu so genannten Supraleitern. Ein einmal gestarteter elektrischer Strom fließt dann theoretisch ewig in ihnen. Man konnte beobachten, dass Ströme in supraleitenden Ringen monatelang ohne messbare Abschwächung flossen.

Bis vor einiger Zeit beobachtete man Supraleitung nur bei Temperaturen um den Siedepunkt von flüssigem Helium (-270 °C). In den achtziger Jahren entwickelte man aber spezielle keramische Verbindungen mit Mischoxiden von Kupfer und anderen Metallen, die schon bei wesentlich höheren Temperaturen supraleitend wurden, nämlich bei rund -200 °C. Solche Materialien können der Anwendung von Supraleitern neue Möglichkeiten eröffnen, vielleicht in extrem schnellen Computern oder für leistungsfähigere Leitungen zur Übertragung elektrischer Energie.