17.12.2018

Plättchen und Zebrastreifen

Interessante Einblicke in elektro­nische Phasen­über­gänge.

Mit neuartigen optischen Techniken erzielte ein inter­natio­nales Forscher­team unter der Leitung von Martin Dressel von der Uni Stutt­gart inte­res­sante Ein­blicke in elek­tro­nische Phasen­über­gängen. Aus­gangs­punkt der Unter­suchungen war der Phasen­über­gang vom iso­lie­renden Vanadium­dioxid zu einem Metall bei etwa siebzig Grad Celsius. Sieht man sich die optische Polari­sa­tion des Lichts bei diesem Über­gang genau an, so erkennt man, dass sich zuerst kleine metal­lische Tröpf­chen unter einem Mikro­meter in der iso­lie­renden Phase bilden, die mit zuneh­mender Tempe­ratur wachsen. Kühlt man dann wieder ab, so nehmen sie die platte Form eines Diskus an. Das reflek­tierte Licht hat eine völlig andere Polari­sa­tion, je nach­dem ob man abkühlt oder auf­wärmt. Aus diesem Unter­schied kann auf die Form und Dichte der metal­lischen Tröpf­chen direkt am Phasen­über­gang geschlossen werden. Eine voll­ständige theo­re­tische Beschrei­bung liegt zwar noch nicht vor, aber man sieht schon, dass die Dicke des Films einen großen Ein­fluss auf die Form der Tröpf­chen hat.

Abb.: Diskusförmige Metall­tröpf­chen beim Phasen­über­gang von...
Abb.: Diskusförmige Metall­tröpf­chen beim Phasen­über­gang von Vanadium­dioxid-Filmen. (Bild: U. Stuttgart)

Da die Strukturen am Phasenübergang von Metallen zu Isola­toren meist kleiner sind als die Wellen­länge des Lichts, kann man sie nicht mit einem normalen Mikro­skop beob­achten. Daher nutzte das Team ein Nah­feld-Mikro­skop. Bei diesem macht man sich zunutze, dass eine atomar dünne Spitze ganz knapp über dem Material Licht streut und tiefe Blicke in die lokalen elek­tro­nischen Eigen­schaften gibt. So konnten die Wissen­schaftler auch an einem mole­ku­laren Kristall den Metall-Isolator-Phasen­über­gang unter­suchen, der dort bei minus 138 Grad Celsius auf­tritt.

Sie sahen ein gestreiftes Muster von abwechselnd metal­lischen und iso­lie­renden Regionen, die nicht breiter als ein Mikro­meter sind. Diese bilden sich auf­grund der anomalen ther­mischen Aus­deh­nung und Ver­span­nungen ent­lang einer Kristall­achse aus und erinnern an einen Zebra­streifen. Das zufäl­lige Ent­stehen und die all­mäh­liche Aus­bil­dung mit Ände­rung der Tempe­ratur können gut mathe­ma­tisch simu­liert werden. „Es scheint als hätten wir einen ganz neuen Aspekt elek­tro­nischer Materi­alien ent­deckt, die auf­grund ihrer Wechsel­wirkung faszi­nie­rende Struk­turen bilden“, so Dressel.

U. Stuttgart / RK

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