Anzeige
Chemie

Vom Kristall zum Metall im Nanomaßstab

Internationale Kollaboration findet Beweis für Mottschen Phasenübergang

Das Infrarot-Nanoskop liefert Bilder der Veränderungen im Kristall während des Mottschen Phasenübergangs © MPI für Biochemie

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.

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.

Anzeige

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) © MPI für Biochemie

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)

Teilen:
Anzeige

In den Schlagzeilen

Diaschauen zum Thema

keine Diaschauen verknüpft

Dossiers zum Thema

Glas - Ein schwer durchschaubarer Stoff

Albert Einstein - Wie die Zeit relativ wurde und die vierte Dimension entstand

News des Tages

Feldhase

Genom des "Osterhasen" entschlüsselt

Erstes Bild der Magnetfelder ums Schwarze Loch

Ägypten: Wandbilder aus der Totenstadt

Wie das Klima den antarktischen Zirkumpolarstrom beeinflusst

Bücher zum Thema

Wissen hoch 12 - Ergebnisse und Trends in Forschung und Technik von Harald Frater, Nadja Podbregar und Dieter Lohmann

Welt der Elemente - von Hans-Jürgen Quadbeck- Seeger

Die Welt hinter den Dingen - von Ludwig Schultz und Hermann- Friedrich Wagner

QED - Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie von Richard P. Feynman

Top-Clicks der Woche