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Die Fähigkeit, einen elektrischen Strom zu leiten, ist eine der
fundamentalsten Eigenschaften von Materialien und gleichzeitig
diejenige mit den meisten praktischen Anwendungen. Ein elektrischer
Strom ist das Fließen von Elektronen aufgrund einer von außen
angelegten Spannung. Ob ein Material ein Leiter oder ein Isolator ist,
hängt üblicherweise von der Zahl der Elektronen und zum Teil auch von
chemischen Details ab.
Da die Zahl der Elektronen durch die chemische Zusammensetzung
festgelegt wird, ist es üblicherweise sehr schwierig, einen Isolator
mit Hilfe äußerer Einflüsse wie Druck oder Temperatur in ein Metall zu
verwandeln. Es gibt aber Ausnahmen. Wenn die Elektronen in dem
Material stark miteinander wechselwirken, kann das Material zum
Isolator werden - einfach deshalb, weil sich die Elektronen
gegenseitig blockieren und sich daher in ihrer Bewegung behindern.
Derartige "stark korrelierte" elektronische Materialien reagieren sehr
empfindlich auf Druck oder Temperatur. Damit stellt sich die
interessante Frage nach den Anwendungen solcher Materialien. Mit
dieser Frage beschäftigen sich seit einigen Jahren bereits die
Physikerinnen und Physiker im Augsburger DFG-Sonderforschungsbereich
"Kooperative Phänomene im Festkörper: Metall-Isolator-Übergänge und
Ordnung mikroskopischer Freiheitsgrade" (SFB 484).
Jetzt hat der Physiker Jan Kunes vom "Center for Electronic
Correlations and Magnetism" (EKM) am Institut für Physik der
Universität Augsburg gemeinsam mit Kollegen aus Ekaterinburg
(Russland) und Davis (USA) erstmalig die Eigenschaften von Manganoxid
(MnO) - einem eigentlich schon seit Jahrzehnten bekannten Material -
unter extremen Drücken erforscht. Die Untersuchungen wurden durch die
Anwendung neuester theoretischer Methoden ermöglicht, die in der
Gruppe von Prof. Dr. Dieter Vollhardt (Lehrstuhl für Theoretische
Physik III/EKM), dem Sprecher des SFB 484, entwickelt wurden.
Kunes und Kollegen haben untersucht,, weshalb sich Elektronen, die
sich normalerweise im Weg stehen und daher keinen elektrischen Strom
tragen können, bei hohen Drücken plötzlich fast frei bewegen können
und somit das Material ein elektrischer Leiter wird. Die Resultate
ihrer Untersuchung, die am 3. Februar 2008 in dem international hoch
renommierten Journal "Nature Materials" erschienen sind, erklären, wie
es bei Drücken, wie sie tief im Inneren der Erde herrschen, zu diesem
sogenannten Isolator-Metall-Übergang kommen kann.
Darüber hinaus konnten die Physiker zeigen, dass es eine enge
Verbindung zwischen der Änderung in der Leitfähigkeit und dem
Verschwinden der magnetischen Eigenschaften des Materials gibt. Die
Ergebnisse sind nicht nur auf Manganoxid beschränkt, sondern liefern
wichtige Einsichten in die Physik anderer Oxide, die für das
Funktionieren alltäglicher elektronischer Geräte wie z. B. Schalter,
Sensoren, Batterien, oder Magnetleseköpfe wichtig sind.
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