Eine internationale Kollaboration findet Beweis für
Mottschen Phasenübergang.
Durch neuartige "Nahfeld" - Mikroskopie konnte im MPI für Biochemie
(Martinsried bei München) erstmals das spontane Entstehen winziger
metallischer Bereiche beobachtet werden, die die Umwandlung eines nicht
leitfähigen Kristalls in ein Metall auslösen.
Dieses
Forschungsergebnis kann unser Verständnis der Supraleiter (Metalle, die
den Strom ohne jeden Verlust leiten) erleichtern, oder auch die Suche
nach besseren Leitern für Hochgeschwindigkeitsrechner (Science, siehe
unten)
In der am Freitag, 14.12.2007, in Science erschienenen
Veröffentlichung stellen Markus Brehm und Fritz Keilmann mit ihren
internationalen Kollegen einen neuen experimentellen Ansatz zur lange
offenen Problematik des Mottschen Isolator-Metall Phasenübergangs in
Vanadiumdioxid vor. Die Mitautoren sind Mumtaz Qazilbash, Greg Andreev,
Brian Maple und Dimitri Basov in der University of California, San
Diego, Alexander Balatsky im Los Alamos National Laboratory, sowie
Byung-Gyu Chae, Hyun-Tak Kim und Sun-Jin Yun im Electronics and
Telecommunications Research Laboratory, Daejeon, Korea.
Abbildung 1. Das Infrarot-Nanoskop basiert auf
einem AFM (Kraftmikroskop), dessen Tastspitze den Infrarotstrahl
ausserordentlich scharf nachfokussiert, auf ca. 20 nm Durchmesser.
Die Raster-Aufzeichnung des ausgestreuten Infrarotlichts ergibt
das hochdetaillierte Infrarotbild, hier von der Metallverteilung
in VO2.
Abbildung 2. Infrarot-Schnappschüsse während des
Aufwärmens eines VO2 Kristalls im kritischen
Temperaturbereich des Mottschen Phasenübergangs. Die Verwandlung
von Nichtleiter in Metall geschieht durch spontanes Entstehen und
Zusammenwachsen individueller, nanoskaliger Metallbereiche.
Abbildungen: MPI für Biochemie
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. 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.
Das Infrarot-Nanoskop der Arbeitsgruppe Keilmann war das rechte
Instrument zur rechten Zeit. Diese einzigartige Entwicklung hatte
schon früher herausragende Veröffentlichungen ermöglicht und kürzlich
einzelne Viren von weniger als 20 nm Dicke (ein Menschenhaar ist 80
000 nm dick) oder moderne Transistoren von 65 nm Länge im
Infrarotkontrast abgebildet. 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 nm 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 nm konzentrierte Infrotlicht besonders
gut und treten so im Infrarotbild deutlich hervor.
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).
Quellen und Artikel:
-
M.M. Qazilbash, M. Brehm, B.-G. Chae, P.-C. Ho, G.O. Andreev, B.-J.
Kim, S.J. Yun, A.V. Balatsky, M.-P. Maple, F. Keilmann, H.-T- Kim,
and D.N. Basov: Mott Transition in VO2 Revealed by Infrared Spectroscopy and
Nanao-imaging.
In: Science, 14. Dec. 2007;
Vol. 318. no. 5857, pp. 1750 - 1753; DOI: 10.1126/science.1150124.
