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Sonntag, 28.05.2017
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Vom Kristall zum Metall im Nanomaßstab

Internationale Kollaboration findet Beweis für Mottschen Phasenübergang

In einem nicht leitfähigen Kristall können sich spontan winzige metallische Bereiche bilden, die letzlich die Umwandlung des Kristalls in ein leitfähiges Metall auslösen. Diese Beobachtung ist jetzt erstmals mithilfe eines Spezialmikroskops gelungen. Wie die Wissenschaftler in „Science“ berichten, könnte diese Erkenntnis das Verständnis der Supraleiter verbessern und die Suche nach besseren Leitern für Hochgeschwindigkeitsrechner erleichtern.
Markus Brehm und Fritz Keilmann vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried stellen mit ihren internationalen Kollegen in ihrer Studie einen neuen experimentellen Ansatz zur lange offenen Problematik des so genannten Mottschen Isolator-Metall Phasenübergangs in Vanadiumdioxid vor.

Bewegung der Elektronen behindert


Materialien wie das metallische Kupfer enthalten viele bewegliche Elektronen, die den elektrischen Strom tragen. Wie auch in Aluminium, Gold oder Silber behindern sich die Elektronen nicht, sondern bewegen sich frei durch das Kristallgitter der Atome.

Das Infrarot-Nanoskop liefert Bilder der Veränderungen im Kristall während des Mottschen Phasenübergangs

Das Infrarot-Nanoskop liefert Bilder der Veränderungen im Kristall während des Mottschen Phasenübergangs

In komplexeren Oxid- Materialien wie Vanadiumdioxid spüren die Elektronen aber positive und negative Ladungen der Atome und können in ihrer Bewegung behindert werden. Physiker nennen sie "korrelierte Materialien". Beispielsweise sind Supraleiter korrelierte Materialien, oder auch Halbleiter, also Kristalle mit nur wenigen Fremdatomen, die jeweils ein einzelnes bewegliches Elektron beisteuern.


Solche korrelierten Materialien können ausserordentliche Veränderungen ihrer physikalischen Eigenschaften aufweisen und sich beispielsweise von einem Nichtleiter in ein Metall verwandeln, wenn man sie leicht unter Druck setzt oder erwärmt. Vandiumdioxid beginnt bei 68°C leitfähig zu werden und ist bereits bei 71°C in ein Metall umgewandelt, bei Abkühlung verschwindet die Leitfähigkeit wieder.

Experimenteller Nachweis fehlte bisher


Seit grundlegenden Theorieüberlegungen von Sir Neville Mott rätseln Festkörperphysiker, wie man dem Isolator-Metall- Phasenübergang experimentell beikommen könnte. Auf die Erfolgsspur brachte den US-Spektroskopiker D.N. Basov und seinen Theoriepartner A.Balatsky ihr Interesse an elektronischer Phasenseparation, dem spontanen Auftreten von feinsten Inhomogenitäten, die möglicherweise in vielen korrelierten Materialien vorkommen. Diese sichtbar zu machen bedurfte es eines "Vergrösserungsglases für die Nanowelt", also für Gebilde mit Abmessungen zwischen denen der Atome und ausgewachsenen Mikrokristallen.

Metallinseln (grün) im nicht leitfähigen Kristall (blau)

Metallinseln (grün) im nicht leitfähigen Kristall (blau)

Infrarotbilder enthüllen Umwandlung


Das Infrarot-Nanoskop der Arbeitsgruppe Keilmann war das rechte Instrument zur rechten Zeit. Jetzt kam D.N. Basov mit Vanadiumdioxid- Kristallen aus Korea zu einer erfolgreichen Messkampagne nach Martinsried. Postdoktorand M. Brehm sah den zunächst strukturlosen Kristall bei Erreichen der kritischen Temperatur plötzlich von Myriaden winziger metallischer Bereiche durchsetzt, die zunehmend grösser wurden und zusammenwuchsen.

Die in feinen Temperturintervallen aufgenommenen Infrarotbilder enthüllten in der mathematischen Ausarbeitung die unerwartete Existenz eines Materialzustandes besonders hoher Elektronenkorrelation, der gerade und nur in der nanoskalig-inhomogenen Phase der Materialumwandlung vorkommt.

Das Infrarot-Nanoskop mit seiner langen Wellenlänge von 10.000 Nanometer kann so winzige Gebilde nur deshalb erkennen, weil das Licht von der Tastspitze quasi nachfokussiert wird (diese Wirkung ähnelt dem Einfangen von Rundfunk durch eine Autoantenne). Die metallischen Bereiche spiegeln das auf 20 Nanometer konzentrierte Infrotlicht besonders gut und treten so im Infrarotbild deutlich hervor.

Maßgeschneiderte Materialien möglich


Die gewonnene Erkenntnisse dürften weltweit zum besseren physikalischen Verständnis dafür beitragen, wie sich geladene Teilchen durch korrelierte Materialen bewegen. Sie könnten die Materialexperten dazu bringen, die Dotierung mit Atomen zwecks Steuerung der Leitfähigkeit oder der Supraleitungsschwelle zu optimieren.

Andersherum liessen sich vielleicht auch vollständig strom- oder magnetfeldabweisende Materialien massschneidern. "Wir sind natürlich begeistert dass hier vier Arbeitsgruppen verschiedener Ausrichtung (Theorie, Spektroskopie, Optik und Materialforschung) gemeinsam die erste Anwendung unseres Infrarot-Nanoskops zur Lösung eine Fundamentalproblems der Festkörperphysik zeigen"--(F. Keilmann).
(Max-Planck-Institut für Biochemie, 14.12.2007 - NPO)
 
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