Symmetrie regelt Phasenübergang
Universelles Verhalten am Mott Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt.
Ob Wasser zu Eis gefriert, Eisen entmagnetisiert oder ein Material supraleitend wird – verantwortlich ist immer ein Phasenübergang. Diese unterschiedlichen Phänomene versuchen Physiker zu verstehen, indem sie nach universellen Eigenschaften suchen. Forscher der Goethe-Universität und der Technischen Universität Dresden haben nun eine wegweisende Entdeckung bei einem Mott Metall-Isolator-Übergang gemacht, der von einem elektrischen Leiter zum Isolator führt.
Abb.: Elektronen vor dem Hintergrund des Atomgitters: Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen sorgt dafür, dass sie engen Kontakt vermeiden. Dies behindert den Elektronenfluss, und das System kann zu einem Isolator werden. (Bild: U. Tutsch)
Nach der Vorhersage von Sir Nevill Francis Mott im Jahr 1937 kann die gegenseitige Abstoßung der gleichnamig geladenen Elektronen, die für den Stromtransport verantwortlich sind, einen Metall-Isolator-Übergang verursachen. Doch entgegen der gängigen Lehrbuchmeinung, wonach der Phasenübergang allein durch die Elektronen bestimmt wird, ist die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Atomgitter des Festkörpers entscheidend.
Der Arbeitsgruppe von Michael Lang vom Physikalischen Institut der Goethe-Universität gelang diese Entdeckung mithilfe einer selbst entwickelten, weltweit einzigartigen Technik. Sie ermöglicht es, Längenänderungen eines Materials bei tiefen Temperaturen unter variablem äußerem Druck mit extrem hoher Auflösung zu vermessen. So konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, dass neben den Elektronen auch das Atomgitter an diesem Phasenübergang maßgeblich beteiligt ist.
„Diese experimentelle Ergebnisse werden einen Paradigmenwechsel beim Verständnis eines der zentralen Phänomene aktueller Festkörperforschung einleiten“, urteilt Lang. Der Mott Metall-Isolator Übergang wird nämlich mit außergewöhnlichen Phänomenen wie der Hochtemperatursupraleitung in Kupferoxid-basierten Materialien in Verbindung gebracht. Diese bieten ein enormes technisches Potenzial für zukünftige Anwendungen.
Die theoretische Analyse der experimentellen Befunde beruht auf der Erkenntnis, dass die vielen Teilchen eines Systems in der Nähe eines Phasenübergangs nicht nur mit ihren unmittelbaren Nachbarn wechselwirken, sondern über große Abstände hinweg mit allen Teilchen kommunizieren. Dadurch spielen nur noch übergeordnete Aspekte wie die Symmetrie des Systems eine Rolle. Die Identifizierung solcher universeller Eigenschaften stellt daher den Schlüssel zum Verständnis von Phasenübergängen dar. „Die aktuellen Erkenntnisse eröffnen einen neuen Blick auf den Mott Metall-Isolator Übergang und erlauben eine verfeinerte theoretische Modellierung des Phasenübergangs“, erklärt Markus Garst vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Dresden.
U Frankfurt / JOL
