Außerordentliches Verhalten von außergewöhnlichen Materialien
Im Rahmen des Projekts IMAX (Improvement of materials with X-rays) verwendeten Wissenschaftler Röntgenbeugung-Mikroscann, um die subtilen Veränderungen in der Struktur eines supraleitenden Cupratmaterials bei hoher Temperatur zu untersuchen. Insbesondere gelang es ihnen, die Elektronenverteilung im Detail zu untersuchen. Statt der erwarteten einheitlichen Streifen beobachteten die Wissenschaftler ein Mischmasch von Partikelklumpen in verschiedenen Formen und Größen. Weitere Forschung zeigte, dass die Dichte der Klumpen mit der Menge an Dotierung, die erforderlich war, um diesen speziellen Supraleiter zu erzeugen, zusammenhing. Noch komplizierter wurde das Ganze dadurch, dass die Verteilung der Klumpengrößen einem Potenzgesetz folgten, was darauf hindeutet, dass sie sich auf ähnliche Weise wie Fraktale bilden. Diese fraktalähnliche Selbstorganisation hatte auffällige Ähnlichkeiten mit der räumlichen Inhomogenität eines anderen supraleitenden Cupratmaterials bei einer niedrigeren Temperatur. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Supraleitung ein viel komplexeres Phänomen ist, als ursprünglich angenommen. Außerdem boten sie Möglichkeiten, die bislang noch nicht erforscht wurden. Supraleiter sind Systeme, mit denen die Quantenmechanik mit den Gesetzen der klassischen Physik in Einklang gebracht werden kann. Insbesondere durchdringen Magnetfelder supraleitende Materialien in Form von winzigen Wirbeln, die sowohl klassische als auch quantenmechanische Eigenschaften aufweisen. Diese wollten die IMAX-Wissenschaftler studieren, um eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Physik der kondensierten Materie zu beleuchten: den Mott-Übergang. Dieses komplexe Phänomen wird durch die Wechselwirkungen vieler Quantenpartikel gesteuert und es ist nicht klar, ob es sich um ein klassisches oder ein Quantenphänomen handelt. Darüber hinaus konnte ein Mott-Übergang, bei dem durch einen das Material durchfließenden elektrischen Strom ein Phasenübergang von einem isolierendem zu einem metallischen Zustand induziert wird, noch nie direkt beobachtet werden. Vor diesem Hintergrund schufen die Wissenschaftler ein System mit 90.000 supraleitenden Niob-Inseln in Nanogröße auf einem Goldfilm. In dieser Konfiguration fanden sich die Wirbel in Energiegrübchen und brachten das Material dazu, als Mott-Isolator zu wirken. Bei Anlegen eines ausreichend großen elektrischen Stroms wurde ein dynamischer Mott-Übergang direkt beobachtet, das sich das System in ein leitendes Metall verwandelte. Mit anderen Worten wurde ein Phasenübergang von einem Zustand eingesperrter Wirbel zu einem Zustand von umherwandernden Wirbeln induziert, wenn der Strom das Material aus dem Gleichgewicht brachte. Dies ist ein klassisches System, mit dem sich einfach experimentieren lässt und dass verwendet werden kann, um unser Verständnis von Physik außerhalb des Gleichgewichts zu verbessern. Bemerkenswerterweise können solche scharfen Phasenübergänge auch in komplexen Oxidschichten bei zunehmender Dicke beobachtet werden. Mithilfe der Technik der gepulsten Laserabscheidung züchtete das IMAX-Team Dünnschichten aus einem Perovskitoxid auf einem nicht-magnetischen Material. Durch das Hinzufügen einer sechsten Schicht des spezifischen Perovskitoxids wechselte das Material von antiferromagnetisch zu ferromagnetisch. Solch ein abrupter Übergang wurde noch nie zuvor beobachtet. Wichtig ist, dass die Wissenschaftler davon ausgehen, dass diese Besonderheit des Perovskitoxids nicht auf Veränderungen in der Schichtdicke begrenzt ist, sondern möglicherweise auch für andere Manipulationen, wie beispielsweise durch Anlegen elektrischer Felder, möglich ist. Weitere Forschungen werden bereits durchgeführt, um nach Verwendungen des Effekts in der Informations- und Messtechnik zu suchen.
Schlüsselbegriffe
Supraleiter, IMAX, Röntgenstrahl, Cupratmaterial, Mott-Übergang, Perovskitoxid
