Schlichterspruch aus dem Laserlabor

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.

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