Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schlichterspruch aus dem Laserlabor

25.09.2012
Neue Methode gibt Antworten auf jahrzehntelangen Streit über elektrische Isolatoren

Seit den 1960er Jahren streiten sich Fachleute darüber, warum bestimmte elektrische Isolatoren überhaupt isolieren. Unterschiedliche Mechanismen sind der Fachwelt bekannt, und ein darauf basierendes Klassifikationssystem für isolierende Materialien existiert ebenfalls. Jedoch nur in der Theorie.


Lasersystem zur Erzeugung der ultrakurzen Röntgenpulse, mit denen die Filmaufnahmen im Experiment gemacht werden. Copyright: CAU, Foto: Rohwer et al.

Denn die experimentell gestützte, eindeutige Zuordnung von Materialien zu den verschiedenen Klassen war bislang bei vielen Materialien nicht möglich. Ein Team aus Physikerinnen und Physikern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der University of Colorado in Boulder, USA, hat jetzt eine neue Messmethode entwickelt, die eine eindeutige Klassifikation von Isolatoren erlaubt. Die Studie dazu erschien nun im Online-Fachmagazin Nature Communications.

Kein Laptop, kein Handy, keine Digitalkamera und kein anderes elektronisches Gerät würden ohne elektrische Isolatoren funktionieren. So schnell wie sich elektronische Geräte heute entwickeln, so groß ist auch der Bedarf an genauen Kenntnissen über bereits eingesetzte oder auch neue Isolatormaterialien. Deshalb ist die Untersuchung ihrer Eigenschaften einschließlich ihrer Klassifizierung ein hochaktuelles Teilgebiet der Festkörperforschung.

Wie in der Physik üblich, werden die Eigenschaften solcher isolierender Materialien zuerst anhand allgemeingültiger Gleichungen beschrieben und mit Computermodellen berechnet. Ob die in der Theorie gewonnenen Erkenntnisse tatsächlich stimmen, muss anschließend durch Experimente an den Materialien im Labor überprüft werden. Beim experimentellen Nachweis einer Reihe von Isolatoren versagten bislang herkömmliche Messverfahren. „Über viele Jahre drehten sich die Diskussionen unter Fachleuten über einige Isolatoren im Kreis“, sagt Projektleiter Kai Roßnagel vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU. Mit der aktuellen Studie, so Roßnagel, habe man einen ganz neuen Weg gefunden, das Isolationsverhalten von Materialien experimentell und objektiv zu klassifizieren.

Das Physiker-Team nutzte für die Methode einen besonderen Effekt: Manche elektrischen Leiter werden bei starker Abkühlung zu Isolatoren. Damit geht einher, dass sich ihr elektrischer Zustand ändert, also bestimmte Eigenschaften der Elektronen des Materials. Wenn sich das Material wieder erwärmt, verändert sich auch der elektrische Zustand wieder. Wie schnell diese Veränderung von Isolator hin zum Leiter abläuft, erfassen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun, um die unterschiedlichen Isolatorklassen zu unterscheiden.

Geradezu unfassbar sind die winzigen Zeitskalen, auf der die Forscherinnen und Forscher mit der Methode arbeiten: Für die Untersuchung wird ein Film aus vielen einzelnen Bildern erzeugt, die mit einer Laserkamera im Abstand von Femtosekunden geschossen werden. Zum Vergleich: Würde man eine Sekunde lang jede Femtosekunde ein Bild aufnehmen, hätte man am Ende 1.000.000.000.000.000 Einzelbilder. Eine herkömmliche Filmkamera erzeugt pro Sekunde nur 24 Einzelbilder. „Bei einigen Isolatoren dauert die im Film sichtbare Veränderung der elektrischen Eigenschaften etwa ein bis fünfzig Femtosekunden, bei anderen dauert sie 100 bis 200 Femtosekunden“, erläutert Roßnagel. Auf diese Weise lassen sich zwei unterschiedliche Isolatorklassen voneinander unterscheiden.

Der in der Fachwelt heiß diskutierte Isolator Titandiselenid (TiSe2) war eines der untersuchten Materialien. Das Team klassifizierte das Material nicht nur eindeutig, es wies sogar zum ersten Mal experimentell eine neue Isolatorklasse nach: den so genannten exzitonischen Isolator. „Wir denken, unsere Ergebnisse könnten die Diskussion um das Titandiselenid nach vier Jahrzehnten endlich beenden“, sagt Roßnagel. Doch wie immer in der Wissenschaft, so meint der Kieler Physiker, müsse man davon ausgehen, dass die neuen Ergebnisse von der Fachwelt nicht ohne Widerspruch aufgenommen würden. „Ob ein neues wissenschaftliches Ergebnis tatsächlich Bestand hat, stellt sich stets erst nach Jahren der Gegenproben heraus.“

Die für die neue Klassifikationsmethode eingesetzte Kameratechnik hatte das Forscherteam im März 2011 im Fachmagazin Nature vorgestellt und in der nun erschienenen Studie erstmals systematisch eingesetzt. Die Technik heißt „Femtosekunden-zeitaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie mit extremer Ultraviolettstrahlung“. Die aktuelle Studie entstand im Schwerpunkt Kieler Oberflächen- und Nanowissenschaften, einem von vier Forschungsschwerpunkten der CAU. Finanziert wurde sie auf deutscher Seite durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Originalpublikation:
S. Hellmann, T. Rohwer, M. Kalläne, K. Hanff, C. Sohrt, A. Stange, A. Carr, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, L. Kipp, M. Bauer, K. Rossnagel (2012): Time-domain classification of charge-density-wave insulators, Nature Communications 3: 1069, doi: 10.1038/ncomms2078
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n9/full/ncomms2078.html

Weitere Informationen:
Zusatzinformationen zum Messprinzip (pdf-Download):
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-265-zusatzinformation.pdf
Link zum Nature Paper (March 2011):
http://www.nature.com/nature/journal/v471/n7339/full/nature09829.html

Zwei Fotos stehen zum Download bereit:

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-265-1.jpg
Bildunterschrift: Lasersystem zur Erzeugung der ultrakurzen Röntgenpulse, mit denen die Filmaufnahmen im Experiment gemacht werden.
Copyright: CAU, Foto: Rohwer et al.

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-265-2.jpg
Bildunterschrift: Die bei der Isolatorklassifikation untersuchten Kristalle stellte das Forschungsteam in der Kristallzucht im Kieler Labor her.
Copyright: CAU, Foto: Maack

Kontakt:
Dr. Kai Roßnagel
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel. ++49/431/880-3876
E-Mail: rossnagel@physik.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-kiel.de/aktuell/pm/2012/2012-265-isolatoren-rossnagel.shtml

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie