Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der Universität Stuttgart erforschen Mott-Isolatoren

07.08.2018

Physiker unterscheiden Metalle, die Strom sehr gut leiten, von Isolatoren, die Strom nicht leiten. Als Mott-Isolatoren werden Metalle bezeichnet, die keinen Strom leiten. Forscher der Universität Stuttgart um Professor Martin Dressel vom 1. Physikalischen Institut ist es nun gemeinsam mit Wissenschaftlern an Universitäten in den USA, Russland und Japan gelungen, den sogenannten Mott-Übergang zu erforschen, wie also nichtleitende zu leitenden Metallen werden.

Das internationale Team sieht in diesem Erfolg einen Ansatz für die Konstruktion elektrischer Bauelemente mit gänzlich neuartigen Eigenschaften. Auch erachten sie ihn als einen möglicherweise entscheidenden Baustein, um das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung zu lüften.


Kristallstruktur des Mott-Isolators (BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 als ein Beispiel einer Quanten-Spin-Flüssigkeit, die keine magnetische Ordnung zeigt.

Mott-Isolatoren enthalten zwar genügend Elektronen, um Strom gut zu leiten, doch diese behindern sich so stark, dass sie sich kaum bewegen. Bei niedrigen Temperaturen stecken die Elektronen fest, wie Eisschollen eines Flusses.

Der Physiknobelpreisträger Nevill Mott (1) vermutete dies zwar schon in den 1930er Jahren, doch erst 50 Jahre später war es möglich, die Eigenschaften solcher Metalle zu berechnen. Demnach enthalten sie unvorstellbar viele Elektronen, die sich alle gegenseitig beeinflussen: In einem Würfel von einem Zentimeter Kantenlänge befinden sich 1020 Elektronen, eine riesige Zahl mit zwanzig Nullen, vergleichbar der gesamten weltweiten Datenspeicherkapazität.

Mit Hilfe ausgeklügelter Computermodelle konnten die Wissenschaftler schließlich berechnen, dass die elektrische Abstoßung der Elektronen so groß werden kann, bis sich nichts mehr bewegt. Es fließt kein Strom, die Elektronen sitzen fest. Könnte man also - so der Ansatz der Physiker - die abstoßende Kraft reduzieren, würde das Material an einem bestimmten Punkt metallisch werden. Dies wird als Mott-Übergang von einem Isolator zu einem Metall bezeichnet.

Details solch eines reinen Mott-Übergangs im Experiment zu überprüfen, war bislang unmöglich. Grund waren die magnetischen Eigenschaften der untersuchten Materialien. Die zündende Idee der Stuttgarter Physiker war nun, Stoffe zu erforschen, die nicht magnetisch sind, sogenannte Quanten-Spin-Flüssigkeiten.

An ihnen ist es erstmals gelungen, den Mott-Übergang von einem Isolator zu einem Metall im Experiment zu untersuchen. Nachgewiesen wurden metallische Fluktuationen, d.h. eine durch die Quanten¬eigenschaften der Elektronen hervorgerufene Unbestimmtheit, die bei anderen Materialien von der magnetischen Ordnung verschleiert war. Dass dieses Niemandsland an der Grenze zwischen Isolator und Metall nun zugänglich gemacht wurde, könnte neue Anwendungen in der Materialforschung und Quantenelektronik eröffnen.

Quanten-Spin-Flüssigkeiten wurden in den 2000er Jahren entdeckt und unterdrücken aufgrund ihrer Anordnung in einem Dreieck – im Fachjargon als „geometrische Frustration“ bezeichnet – jede magnetische Ordnung bis an den absoluten Nullpunkt der Temperatur. Die magnetischen Spins stecken in einer Zwickmühle und wissen nicht, wie sie reagieren sollen. Die Stuttgarter Forscher fanden nun heraus, dass diese Spins zu den optischen Eigenschaften beitragen können, obwohl die Elektronen sich nicht mehr bewegen.

(1) Der britische Nobelpreisträger für Physik Sir Nevill Mott (1905-1996) beschäftigte sich Zeit seines Lebens mit den Eigenschaften von Elektronen in Festkörpern; im Jahre 1980 erhielt er die Ehrendoktor der Universität Stuttgart.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Kontakt: Prof. Dr. Martin Dressel, 1. Physikalisches Institut an der Universität Stuttgart, E.Mail: dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de
Tel.: 0711-685 64946

Originalpublikation:

Die Fachartikel erschienen im August 2018 in Nature Materials 2018 (https://doi.org/10.1038/s41563-018-0140-3) und Physical Review Letters 121, 056402 (2018) (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.056402)

Dr. Hans-Herwig Geyer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen
02.04.2020 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

nachricht Internationales Physiker-Team berechnet Effekt virtueller quarks in der Streuung von zwei Lichtquanten
02.04.2020 | Universität Regensburg

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: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Im Focus: Sensationsfund: Spuren eines Regenwaldes in der Westantarktis

90 Millionen Jahre alter Waldboden belegt unerwartet warmes Südpol-Klima in der Kreidezeit

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)...

Im Focus: A sensational discovery: Traces of rainforests in West Antarctica

90 million-year-old forest soil provides unexpected evidence for exceptionally warm climate near the South Pole in the Cretaceous

An international team of researchers led by geoscientists from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) have now...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

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

Erste SARS-CoV-2-Genome aus Österreich veröffentlicht

03.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Projekt »Lade-PV« gestartet: Fahrzeugintegrierte PV für Elektro-Nutzfahrzeuge

03.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

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