idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Medienpartner:
Wissenschaftsjahr


Teilen: 
07.08.2018 15:50

Physiker der Universität Stuttgart erforschen Mott-Isolatoren

Dr. Hans-Herwig Geyer Abteilung Hochschulkommunikation
Universität Stuttgart

    Physiker unterscheiden Metalle, die Strom sehr gut leiten, von Isolatoren, die Strom nicht leiten. Als Mott-Isolatoren werden Metalle bezeichnet, die keinen Strom leiten. Forscher der Universität Stuttgart um Professor Martin Dressel vom 1. Physikalischen Institut ist es nun gemeinsam mit Wissenschaftlern an Universitäten in den USA, Russland und Japan gelungen, den sogenannten Mott-Übergang zu erforschen, wie also nichtleitende zu leitenden Metallen werden.

    Das internationale Team sieht in diesem Erfolg einen Ansatz für die Konstruktion elektrischer Bauelemente mit gänzlich neuartigen Eigenschaften. Auch erachten sie ihn als einen möglicherweise entscheidenden Baustein, um das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung zu lüften.

    Mott-Isolatoren enthalten zwar genügend Elektronen, um Strom gut zu leiten, doch diese behindern sich so stark, dass sie sich kaum bewegen. Bei niedrigen Temperaturen stecken die Elektronen fest, wie Eisschollen eines Flusses.

    Der Physiknobelpreisträger Nevill Mott (1) vermutete dies zwar schon in den 1930er Jahren, doch erst 50 Jahre später war es möglich, die Eigenschaften solcher Metalle zu berechnen. Demnach enthalten sie unvorstellbar viele Elektronen, die sich alle gegenseitig beeinflussen: In einem Würfel von einem Zentimeter Kantenlänge befinden sich 1020 Elektronen, eine riesige Zahl mit zwanzig Nullen, vergleichbar der gesamten weltweiten Datenspeicherkapazität. Mit Hilfe ausgeklügelter Computermodelle konnten die Wissenschaftler schließlich berechnen, dass die elektrische Abstoßung der Elektronen so groß werden kann, bis sich nichts mehr bewegt. Es fließt kein Strom, die Elektronen sitzen fest. Könnte man also - so der Ansatz der Physiker - die abstoßende Kraft reduzieren, würde das Material an einem bestimmten Punkt metallisch werden. Dies wird als Mott-Übergang von einem Isolator zu einem Metall bezeichnet.

    Details solch eines reinen Mott-Übergangs im Experiment zu überprüfen, war bislang unmöglich. Grund waren die magnetischen Eigenschaften der untersuchten Materialien. Die zündende Idee der Stuttgarter Physiker war nun, Stoffe zu erforschen, die nicht magnetisch sind, sogenannte Quanten-Spin-Flüssigkeiten. An ihnen ist es erstmals gelungen, den Mott-Übergang von einem Isolator zu einem Metall im Experiment zu untersuchen. Nachgewiesen wurden metallische Fluktuationen, d.h. eine durch die Quanten¬eigenschaften der Elektronen hervorgerufene Unbestimmtheit, die bei anderen Materialien von der magnetischen Ordnung verschleiert war. Dass dieses Niemandsland an der Grenze zwischen Isolator und Metall nun zugänglich gemacht wurde, könnte neue Anwendungen in der Materialforschung und Quantenelektronik eröffnen.

    Quanten-Spin-Flüssigkeiten wurden in den 2000er Jahren entdeckt und unterdrücken aufgrund ihrer Anordnung in einem Dreieck – im Fachjargon als „geometrische Frustration“ bezeichnet – jede magnetische Ordnung bis an den absoluten Nullpunkt der Temperatur. Die magnetischen Spins stecken in einer Zwickmühle und wissen nicht, wie sie reagieren sollen. Die Stuttgarter Forscher fanden nun heraus, dass diese Spins zu den optischen Eigenschaften beitragen können, obwohl die Elektronen sich nicht mehr bewegen.

    (1) Der britische Nobelpreisträger für Physik Sir Nevill Mott (1905-1996) beschäftigte sich Zeit seines Lebens mit den Eigenschaften von Elektronen in Festkörpern; im Jahre 1980 erhielt er die Ehrendoktor der Universität Stuttgart.


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Kontakt: Prof. Dr. Martin Dressel, 1. Physikalisches Institut an der Universität Stuttgart, E.Mail: dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de
    Tel.: 0711-685 64946


    Originalpublikation:

    Die Fachartikel erschienen im August 2018 in Nature Materials 2018 (https://doi.org/10.1038/s41563-018-0140-3) und Physical Review Letters 121, 056402 (2018) (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.056402)


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler
    Informationstechnik, Physik / Astronomie
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


    Kristallstruktur des Mott-Isolators (BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 als ein Beispiel einer Quanten-Spin-Flüssigkeit, die keine magnetische Ordnung zeigt.


    Zum Download

    x

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).

    Cookies optimieren die Bereitstellung unserer Dienste. Durch das Weitersurfen auf idw-online.de erklären Sie sich mit der Verwendung von Cookies einverstanden. Datenschutzerklärung
    Okay