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 MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All
24.01.2017 | Leibniz Universität Hannover

nachricht European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen
24.01.2017 | European XFEL GmbH

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie