Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

08.12.2016

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Ob Wasser zu Eis gefriert, Eisen entmagnetisiert oder eine Legierung supraleitend wird – für Physiker steckt dahinter immer ein Phasenübergang. Diese unterschiedlichen Phänomene versuchen sie zu verstehen, indem sie nach universellen Eigenschaften suchen. Forscher der TU Dresden und der Universität Frankfurt haben nun eine wegweisende Entdeckung bei einem Phasenübergang gemacht, der von einem elektrischen Leiter zu einem Isolator führt (Mott-Metall-Isolator-Übergang).


Elektronen vor dem Hintergrund des Atomgitters – die Bestandteile eines Festkörpers.

Dr. Ulrich Tutsch

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen Elektronen, die für den Stromtransport verantwortlich sind.

Entgegen der gängigen Lehrmeinung, wonach dieser Phasenübergang allein durch die Elektronen bestimmt wird, haben Forscher an der TU Dresden vor wenigen Jahren theoretisch vorhergesagt, dass das atomare Gitter des Festkörpers grundlegend diesen Übergang beeinflusst. Nun gelang die experimentelle Verifikation dieser Vorhersage wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift “Science Advances” berichtet wird.

Motiviert durch die theoretischen Arbeiten des TUD-Wissenschaftlers Dr. Markus Garst untersuchte das Team von Prof. Michael Lang vom Physikalischen Institut der Universität Frankfurt die Längenänderungen des Atomgitters nahe des Übergangs mit extrem hoher Auflösung. Dies war nur mit Hilfe einer selbst entwickelten, weltweit einzigartigen Technik möglich, die solche Messungen bei tiefen Temperaturen unter variablem äußerem Druck erlaubt. So konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, dass neben den Elektronen auch das Atomgitter – das Gerüst des Festkörpers - an diesem Phasenübergang maßgeblich beteiligt ist.

„Diese experimentelle Ergebnisse werden einen Paradigmenwechsel beim Verständnis eines der zentralen Phänomene aktueller Festkörperforschung einleiten“, urteilt Prof. Michael Lang. Der Mott-Metall-Isolator-Übergang wird nämlich mit außergewöhnlichen Phänomenen wie der Hochtemperatursupraleitung in Kupferoxid-basierten Materialien in Verbindung gebracht. Diese bieten ein enormes technisches Potenzial für zukünftige Anwendungen.

Die Ergebnisse bestätigen außerdem die Idee, dass in der Nähe des Phasenübergangs die Komponenten des Systems nicht nur mit ihren unmittelbaren Nachbarn wechselwirken, sondern aufgrund der Steifigkeit des Festkörpers über große Abstände hinweg „kommunizieren“. Dies ändert die universellen Eigenschaften am Phasenübergang. „Die aktuellen Erkenntnisse eröffnen einen neuen Blick auf den Mott-Metall-Isolator-Übergang und erlauben eine verfeinerte theoretische Beschreibung seiner Eigenschaften“, erklärt Privatdozent Dr. Markus Garst vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden.

Die Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen sowohl des Transregio-Sonderforschungsbereichs „Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions“ unter Leitung von Prof. Michael Lang als auch des Sonderforschungsbereiches „Correlated Magnetism: From Frustration To Topology“ an der TU Dresden gefördert.

Publikation:
Elena Gati, Markus Garst, Rudra S. Manna, Ulrich Tutsch, Bernd Wolf, Lorenz Bartosch, Harald Schubert, Takahiko Sasaki, John A. Schlueter, and Michael Lang, Breakdown of Hooke’s law of elasticity at the Mott critical endpoint in an organic conductor, Science Advances 2, e1601646 (2016).

Abbildung: Elektronen vor dem Hintergrund des Atomgitters – die Bestandteile eines Festkörpers. Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen sorgt dafür, dass sie engen Kontakt vermeiden. Dies behindert den Elektronenfluss, und das System kann zu einem Isolator werden. (Copyright: Dr. Ulrich Tutsch)

Informationen für Journalisten:
Prof. Dr. Michael Lang
Goethe-Universität Frankfurt
Tel.: +49 (0) 69 798-47241
E-Mail: Michael.Lang@physik.uni-frankfurt.de

PD Dr. Markus Garst
TU Dresden
Tel. +49 (0) 351 463-32847
E-Mail: Markus.Garst@tu-dresden.de

Kim-Astrid Magister | Technische Universität Dresden
Weitere Informationen:
http://www.tu-dresden.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics