Mott-Übergang im Experiment

Als Mott-Isolatoren werden Metalle bezeichnet, die keinen Strom leiten. Forscher der Univer­sität Stuttgart um Martin Dressel ist es nun gemeinsam mit Wissen­schaftlern an Univer­sitäten in den USA, Russland und Japan gelungen, den Mott-Übergang zu erforschen, wie also nicht­leitende zu leitenden Metallen werden. Das 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.

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 vermutete dies zwar schon in den 1930er Jahren, doch erst fünfzig 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. Mit Hilfe ausge­klügelter Computer­modelle konnten die Wissen­schaftler 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 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: 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, 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 über die geo­metrische Frustra­tion 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 Forscher fanden nun heraus, dass diese Spins zu den optischen Eigen­schaften beitragen können, obwohl die Elektronen sich nicht mehr bewegen.

U. Stuttgart / JOL