Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Manganate: Informationen speichern mit "bekleideten" Elektronen

22.08.2007
Physiker entschlüsseln extreme Widerstandsänderungen in Metall-Sauerstoff-Verbindungen

Bestimmte Metall-Sauerstoff-Verbindungen wie das Oxid des chemischen Elements Mangan weisen besondere Eigenschaften in ihrer Leitfähigkeit aus: So kann der elektrische Widerstand durch äußere Einwirkung so beeinflusst werden, dass sich ein Manganat von einem Isolator in einen Stromleiter verwandelt.


Schematische Darstellung des Experiments zur Entschlüsselung der Mechanismen von Widerstandsänderungen in Manganaten: Mittels einer extrem genau positionierbaren Nanospitze im Elektronenmikroskop konnte eine Verbindung zwischen den elektrischen Eigenschaften und der räumlichen Anordnung der bekleideten Elektronen (Polaronen) sichtbar gemacht werden.


Atomarer Aufbau der Kristallstruktur einer Praseodym-Kalzium-Manganat Verbindung mit extremen Änderungen des elektrischen Widerstands.

Wissenschaftlern aus Göttingen, New York und Chicago ist es nun gelungen, die Ursachen dieser "kolossalen Widerstandsänderungen" zu entschlüsseln. Das Verständnis der physikalischen Effekte ist von Bedeutung für die Entwicklung einer neuen Form von Datenspeichern, sogenannten nichtflüchtigen Speicherchips für Handys und USB-Sticks. Dabei werden die Informationen abgelegt in unterschiedlichen Widerstandszuständen des Manganats, die durch kleine elektrische Impulse geschaltet werden können. Auf deutscher Seite wurden die Arbeiten am Institut für Materialphysik der Georg-August-Universität unter der Leitung von Privatdozent Dr. Christian Jooß durchgeführt. Die Forschungsergebnisse werden in den "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS) vom 21. August 2007 vorgestellt.

Das Element Sauerstoff - mit fast 20 Prozent Volumenanteil in der Erdatmosphäre eines der am häufigsten vorkommenden Gase - geht mit Metallen sehr stabile Verbindungen ein. Zu den besonders faszinierenden Metall-Sauerstoff-Verbindungen gehören die Oxide der Übergangsmetalle Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer und Mangan. Diese bilden mit symmetrisch um sich gruppierten Sauerstoffatomen im Gerüst eines weiteren Metalls die sogenannte Perowskit-Struktur. Zu diesen Perowskiten gehören die Manganate, die eine extreme Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstands von äußeren Einwirkungen aufweisen. So können durch Magnetfelder, Licht oder Druck Änderungen der Leitfähigkeit von bis zu 10 Größenordnungen hervorgerufen werden. Der Perowskit verwandelt sich dabei von einem Isolator zu einem elektrischen Leiter.

... mehr zu:
»Isolator »Manganat »Polaron

Grundlegendes Problem beim physikalischen Verständnis dieser Effekte, die als kolossale Widerstandsänderungen bezeichnet werden, ist die hohe Komplexität der Elektronenzustände in diesen Materialien. Manganate zeigen in besonders ausgeprägter Weise ein korreliertes Verhalten der Elektronen: Sie beeinflussen sich gegenseitig durch starke elektrische und magnetische Kräfte. Darüber hinaus verursachen sie bei ihrer Bewegung durch das Kristall - gemeint ist damit die dreidimensional und periodisch angeordnete Struktureinheit der Metall-Sauerstoff-Verbindung - eine Verschiebung der Atome aus den idealen Positionen des Kristallgitters, das sich mit dem Elektron mitbewegen kann. Diese mit dem Feld ihrer Gitterverzerrung "bekleideten" Elektronen sind in der Physik auch als Polaronen bekannt.

Die Physiker haben nun einen Durchbruch im Verständnis der Bewegung und Ordnung von Polaronen als wesentliche Ursache für kolossale Widerstandsänderungen in Manganaten erzielt. Mit Hilfe moderner Elektronenmikroskopie konnte eine räumlich geordnete periodische Anordnung der "bekleideten Elektronen" nachgewiesen werden. Die Polaronen kristallisieren zu einem periodischen Muster, was zu einer starken Unterdrückung ihrer Beweglichkeit führt; die Manganate verwandeln sich in einen Isolator. Wird dieser geordnete Polaronenkristall durch ein äußeres elektrisches Feld relativ zu den Gitteratomen in Bewegung gesetzt, zerfällt er nach einiger Zeit in einen ungeordneten Zustand; es entsteht die sogenannte Polaronenflüssigkeit. Damit einher geht eine drastische Verringerung des elektrischen Widerstands. Durch eine extrem genau positionierbare Nanospitze im Elektronenmikroskop konnte dieser Prozess unmittelbar sichtbar gemacht werden.

Die grundlegenden Untersuchungen der Manganate sowie die Entwicklung von Anwendungen werden auf Göttinger Seite am Institut für Materialphysik in der Arbeitsgruppe "Funktionale Dünnschichten" durchgeführt. Neben Dr. Jooß sind daran Sebastian Schramm, Julia Fladerer, Peter Moschkau und Dr. Jörg Hoffmann beteiligt. Ihre Arbeiten sind außerdem eingebettet in ein Teilprojekt des Göttinger Sonderforschungsbereiches 602 "Komplexe Strukturen in kondensierter Materie von atomarer bis mesoskopischer Skala". Kooperationspartner in den USA waren Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory in New York und des Department of Physics der University of Illinois at Chicago.

Originalveröffentlichung:
Ch. Jooss, L. Wu, T. Beetz, R. F. Klie, M. Beleggia, M. A. Schofield, S. Schramm, J. Hoffmann, and Y. Zhu: Polaron melting and ordering as key mechanisms for colossal resistance effects in manganates, PNAS 104 (2007) 13597-13602
Kontaktadresse:
PD Dr. Christian Jooß
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik - Institut für Materialphysik
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-5303, e-mail: jooss@ump.gwdg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw
Weitere Informationen:
http://www.material.physik.uni-goettingen.de

Weitere Berichte zu: Isolator Manganat Polaron

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher
28.03.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit

Antibiotikaresistenz zeigt sich durch Leuchten

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie