Kristall zu Metall

Mithilfe eines speziellen Nahfeld-Mikroskopie-Verfahrens konnte erstmals der Beweis für einen Mottschen Phasenübergang gefunden werden.

Durch ein neuartiges Nahfeld-Mikroskopie-Verfahren konnte im MPI für Biochemie in Martinsried bei München erstmals das spontane Entstehen winziger metallischer Bereiche beobachtet werden, die die Umwandlung eines nicht leitfähigen Kristalls in ein Metall auslösen. In einer in der Fachzeitschrift Science erschienenen Veröffentlichung stellen Markus Brehm und Fritz Keilmann zusammen mit internationalen Kollegen einen neuen experimentellen Ansatz zur lange offenen Problematik des Mottschen Isolator-Metall Phasenübergangs in Vanadiumdioxid vor. Das Forschungsergebnis kann dasVerständnis der Supraleiter erleichtern, oder auch die Suche nach besseren Leitern für Hochgeschwindigkeitsrechner.

Materialien wie das metallische Kupfer enthalten viele bewegliche Elektronen, die den elektrischen Strom tragen. Wie auch in Aluminium, Gold oder Silber behindern sich die Elektronen nicht, sondern bewegen sich frei durch das Kristallgitter der Atome. In komplexeren Oxid-Materialien wie Vanadiumdioxid spüren die Elektronen aber positive und negative Ladungen der Atome und können in ihrer Bewegung behindert werden – man nennt sie daher „korrelierte Materialien“. Beispielsweise sind Supraleiter korrelierte Materialien, oder auch Halbleiter, also Kristalle mit nur wenigen Fremdatomen, die jeweils ein einzelnes bewegliches Elektron beisteuern. Solche korrelierten Materialien können außerordentliche Veränderungen ihrer physikalischen Eigenschaften aufweisen und sich beispielsweise von einem Nichtleiter in ein Metall verwandeln, wenn man sie leicht unter Druck setzt oder erwärmt.

Abb. 1: Das Infrarot-Nanoskop basiert auf einem Rasterkraftmikroskop (AFM), dessen Tastspitze den Infrarotstrahl außerordentlich scharf nachfokussiert, auf ca. 20 nm Durchmesser. Die Raster-Aufzeichnung des ausgestreuten Infrarotlichts ergibt das hoch detaillierte Infrarotbild, hier von der Metallverteilung in VO2. (Quelle: MPI für Biochemie)

Vandiumdioxid beginnt bei 68 °C leitfähig zu werden und ist bereits bei 71 °C in ein Metall umgewandelt, bei Abkühlung verschwindet die Leitfähigkeit wieder. Seit grundlegenden Theorieüberlegungen von Sir Neville Mott rätseln Festkörperphysiker, wie man dem Isolator-Metall-Phasenübergang experimentell beikommen könnte. Auf die Erfolgsspur brachte den US-Spektroskopiker D. N. Basov und seinen Theoriepartner A. Balatsky ihr Interesse an elektronischer Phasenseparation, dem spontanen Auftreten von feinsten Inhomogenitäten, die möglicherweise in vielen korrelierten Materialien vorkommen. Diese sichtbar zu machen bedurfte es eines „Vergrößerungsglases für die Nanowelt“, also für Gebilde mit Abmessungen zwischen denen der Atome und ausgewachsenen Mikrokristallen.

Das Infrarot-Nanoskop der Arbeitsgruppe von Fritz Keilmann war das rechte Instrument zur rechten Zeit. Diese einzigartige Entwicklung hatte schon früher herausragende Veröffentlichungen ermöglicht und kürzlich einzelne Viren von weniger als 20 nm Dicke oder moderne Transistoren von 65 nm Länge im Infrarotkontrast abgebildet. Jetzt kam D. N. Basov mit Vanadiumdioxid-Kristallen aus Korea zu einer erfolgreichen Messkampagne nach Martinsried. Markus Brehm sah den zunächst strukturlosen Kristall bei Erreichen der kritischen Temperatur plötzlich von Myriaden winziger metallischer Bereiche durchsetzt, die zunehmend größer wurden und zusammenwuchsen. Die in feinen Temperaturintervallen aufgenommenen Infrarotbilder enthüllten in der mathematischen Ausarbeitung die unerwartete Existenz eines Materialzustandes besonders hoher Elektronenkorrelation, der gerade und nur in der nanoskalig-inhomogenen Phase der Materialumwandlung vorkommt.

Abb. 2: Infrarot-Schnappschüsse während des Aufwärmens eines VO₂ Kristalls im kritischen Temperaturbereich des Mottschen Phasenübergangs. Die Verwandlung von Nichtleiter in Metall geschieht durch spontanes Entstehen und Zusammenwachsen individueller, nanoskaliger Metallbereiche. (Quelle: MPI für Biochemie)

Das Infrarot-Nanoskop mit seiner langen Wellenlänge von 10.000 nm kann so winzige Gebilde nur deshalb erkennen, weil das Licht von der Tastspitze quasi nachfokussiert wird (diese Wirkung ähnelt dem Einfangen von Rundfunk durch eine Autoantenne). Die metallischen Bereiche spiegeln das auf 20 nm konzentrierte Infrarotlicht besonders gut und treten so im Infrarotbild deutlich hervor.

Die gewonnenen Erkenntnisse dürften weltweit zum besseren physikalischen Verständnis dafür beitragen, wie sich geladene Teilchen durch korrelierte Materialen bewegen. Sie könnten die Materialexperten dazu bringen, die Dotierung mit Atomen zwecks Steuerung der Leitfähigkeit oder der Supraleitungsschwelle zu optimieren. Andersherum ließen sich vielleicht auch vollständig strom- oder magnetfeldabweisende Materialien maßschneidern. „Wir sind natürlich begeistert dass hier vier Arbeitsgruppen verschiedener Ausrichtung (Theorie, Spektroskopie, Optik und Materialforschung) gemeinsam die erste Anwendung unseres Infrarot-Nanoskops zur Lösung eine Fundamentalproblems der Festkörperphysik zeigen“, sagt Fritz Keilmann.

Mitautoren der Studie:

• Mumtaz Qazilbash, Greg Andreev, Brian Maple und Dimitri Basov von der University of California, San Diego
• Alexander Balatsky vom Los Alamos National Laboratory
• Byung-Gyu Chae, Hyun-Tak Kim und Sun-Jin Yun vom Electronics and Telecommunications Research Laboratory, Daejeon, Korea

Quelle: Max-Planck-Institut für Biochemie

Weitere Infos:

• Original-Veröffentlichung:
  M.M. Qazilbash, M. Brehm, B.-G. Chae, P.-C. Ho, G.O. Andreev, B.-J. Kim, S.J. Yun, A.V. Balatsky, M.-P. Maple, F. Keilmann, H.-T- Kim und D.N. Basov, Mott Transition in VO₂ Revealed by Infrared Spectroscopy and Nanao-imaging, Science 318, 1750 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1150124
• Max-Planck-Institut für Biochemie, Abteilung Molekulare Strukturbiologie, Martinsried:
  http://wwwex.biochem.mpg.de/baumeister/deutsch/dhome.html
• Basov Infrared Laboratory, University of California, San Diego:
  http://infrared.ucsd.edu