Verborgene Phänomene in ultrareinen Quantenmaterialien

Forscher entdeckten neue Phänomene in einer ultrareinen Probe von Strontiumvanadat (SrVO₃). Die Studie stellt theo­retische Modelle in Frage und bietet neue Einblicke in diese Metalle. Ultrareines SrVO₃ zeigt einzigartige elek­tronische Eigenschaften, was die Bedeutung defektfreier Materialien für die Untersuchung von Elektronen­korrelations­effekten unterstreicht. Der Durchbruch wurde durch eine innovative Dünnschicht­technologie erzielt, die zur Synthese von SrVO₃ in bisher unerreichter Reinheit führte und detaillierte Untersuchungen ermöglichte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die derzeitigen Theorien über Elektronen­wechselwirkungen neu bewertet werden müssen.

Die Forscher berichten von bisher nicht beobachteten Phänomenen in einer ultrareinen Probe des korrelierten Metalls SrVO₃. So lassen sich die experimentellen Ergebnisse nicht leicht mit vorherr­schenden theoretischen Modellen dieser ungewöhnlichen Metalle beschreiben. Das internationale Forschungsteam vom Paul Drude Institut für Festkörper­elektronik (PDI), vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL), von derPennsylvania State University, von der University of Pittsburgh, vom Pittsburgh Quantum Institute und von der University of Minnesota glaubt, dass ihre Ergebnisse eine Neubewertung der aktuellen Theorien zu Elektronen­korrelationseffekten notwendig macht und Licht auf die Ursprünge wichtiger Phänomene in diesen Systemen wirft, einschließlich magnetischer Eigenschaften, Hochtemperatur­supraleitung und der einzig­artigen Eigenschaften äußerst ungewöhnlicher transparenter Metalle.

Das Perovskitoxid-Material SrVO₃ wird als Fermi-Flüssigkeit klassifiziert – ein Zustand, der ein System von wechsel­wirkenden Elektronen in einem Metall bei ausreichend niedrigen Temperaturen beschreibt. In konventionellen Metallen bewegen sich Elektronen unabhängig voneinander und werden üblicherweise als Fermi-Gas bezeichnet. Im Gegensatz dazu weisen Fermi-Flüssigkeiten signifikante Wechselwirkungen zwischen den Elektronen auf – die Bewegung eines Elektrons beeinflusst die Bewegung der anderen Elektronen stark. Dieses kollektive Verhalten kann zu einzigartigen elek­tronischen Eigenschaften mit tief­greifender techno­logischer Relevanz führen und Einblick in die Wechselwirkungen zwischen Elektronen in korrelierten Metallen bieten. SrVO₃ ist aufgrund seiner einfachen kristallinen Struktur und elek­tronischen Eigenschaften ein ideales Modellsystem zur Untersuchung solcher Korrelations­phänomene. Diese Einfachheit ist entscheidend, um komplexe Phänomene wie magnetische Ordnung oder Supraleitung zu verstehen, die theoretische und experi­mentelle Studien erschweren können.

Ein weiterer entscheidender Faktor zum Verständnis experimenteller Ergebnisse, die die Grundlage für theoretische Modelle für Elektronen­korrelationseffekte sind, ist das Vorhandensein oder Fehlen von Defekten im Material selbst. Roman Engel-Herbert, Studienleiter und Direktor des PDI in Berlin, sagt: „Wenn man eines der am besten gehüteten Geheimnisse der Festkörper­physik auf den Grund gehen will, muss man es in seiner reinsten Form studieren; in Abwesenheit jeglicher äußerer Störungen. Hochwertige Materialien, die praktisch defektfrei sind, sind entscheidend. Man muss ultrareine Materialien synthe­tisieren.“

Eine defektfreie Probe von SrVO₃ zu erhalten, war bisher eine scheinbar unüberwindbare Herausforderung. Durch die Anwendung einer innovativen Dünnschicht­wachstumstechnik, die die Vorteile der Molekularstrahlepitaxie und der chemischen Gasphasen­abscheidung kombiniert, erreichte das Team ein beispielloses Maß an Materialreinheit. Matt Brahlek quantifiziert die Verbesserung: „Ein einfaches Maß für die Materialreinheit ist das Verhältnis, wie leicht Elektrizität bei Raumtemperatur im Vergleich zu niedriger Temperatur fließt – das  Restwiderstands­verhältnis, der RRR-Wert (RRR:residual resistance ratio). Wenn das Metall viele Defekte enthält, sind die RRR-Werte niedrig, typischerweise um zwei bis fünf. Wir konnten SrVO₃-Filme mit einem RRR-Wert herstellen, der bei 200 liegt, und eröffneten damit die Möglichkeit, die fundamentalen Eigenschaften des korrelierten Metalls SrVO₃ zu untersuchen. Die hohe Material­qualität ermöglichte insbesondere zum ersten Mal den Zugang zu einem speziellen Regime bei Magnetfeldern. Dies ist der Bereich, in dem unerwartete Effekte gefunden wurden.“

Das Team war überrascht, eine Reihe eigenartiger Transport­eigenschaften zu entdecken, die im starken Kontrast zu den zuvor an defektreichen Proben gemessenen Transport­eigenschaften standen. Ihre Ergebnisse stellen den langjährigen wissenschaftlichen Konsens in Frage, dass SrVO₃ eine einfache Fermi-Flüssigkeit ist. Engel-Herbert erklärt: „Diese Situation war sehr aufregend, aber auch rätselhaft. Während wir das zuvor berichtete Transport­verhalten von SrVO₃ in unseren defektreichen Proben reproduzierten, unterschieden sich identische Messungen an ultrareinen Proben mit hohen RRR-Werten deutlich.“ Ergebnisse von defekt­reichen Proben ermöglichten eine einfache Interpretation der Ergebnisse, die den theoretischen Erwartungen entsprachen. Diese Ergebnisse wurden als experimentelle Belege dafür verwendet, dass das theoretische Verständnis die Elektronen­korrelationseffekte in SrVO₃ korrekt widerspiegelt. Das Team stellte jedoch fest, dass die Messungen an den ultrareinen Proben nicht so leicht erklärt werden können.

Brahlek fügt hinzu: „Eine besondere Beobachtung, ist die Erwartung, dass die Anzahl der Elektronen, die in einem Metall Elek­trizität leiten, unabhängig von Temperatur und Magnetfeld ist. Das ist natürlich richtig, aber die Interpretation der gemessenen Größe ist kein direktes Maß für die Ladungsträger­konzentration. Vielmehr ist diese Größe mit anderen Aspekten der Material­eigenschaften vermischt, wie z.B. dem Einfluss von Defekten und Temperatur auf die Leitfähigkeit. Wir mussten tiefer in die Physik eintauchen, um zu verstehen, was wir sahen. Das macht es so wichtig und aufregend.“

Die Forscher glauben, dass ihre Entdeckung als Grundlage zur Verfeinerung theoretischer Modelle dienen und eine erneute Untersuchung etablierter Ansichten und Interpretationen von Materialien mit beträchtlicher Elektronen­korrelation anregen kann. Engel-Herbert sagt: „Unsere Aufgabe als experimentelle Physiker ist es, über die Grenzen des aktuellen Verständnisses der Natur hinauszugehen. Hier können Entdeckungen gemacht werden, hier treiben wir die Wissenschaft voran. Als Festkörper­physiker ist es entscheidend, unser Studienobjekt immer weiter zu perfektionieren, indem wir uns herausfordern, die Grenzen der Material­perfektion zu erweitern. Dies kann möglicherweise neue Einblicke in das tatsächliche Verhalten dieser Material­klasse geben und eine umfassende Erklärung der gemessenen und beobachteten Phänomene ermöglichen. Dazu braucht es ein inter­disziplinäres Team von Experten. Obwohl die Arbeit noch nicht abgeschlossen ist, bieten unsere Ergebnisse der Gemeinschaft die Möglichkeit, ihre Theorien neu zu kalibrieren; Materialien, von denen wir glaubten, dass sie gut verstanden seien, neu zu untersuchen und ihr Potenzial für Anwendungen neu zu bewerten.“

PDI / JOL