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Geometrische Frustrationen: Mott-Isolatoren auf die Spur gekommen

Vor 90 Jahren vermutete Physik-Nobelpreisträger Nevill Mott, dass es Metalle gibt, die über genügend Elektronen verfügen, um Strom zu leiten, deren Elektronen aber »feststecken«. Der Bereich des »Mott-Übergangs« vom nichtleitenden zum leitenden Zustand konnte jetzt erstmals untersucht werden.

Mott-Isolator Bildquelle: © Physikalisches Institut der Universität Stuttgart

Kristallstruktur des Mott-Isolators (BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 als ein Beispiel einer Quanten-Spin-Flüssigkeit, die keine magnetische Ordnung zeigt.

Mott-Isolatoren leiten keinen Strom, wie Eisschollen stecken deren Elektronen fest und behindern sich gegenseitig. Ein Team aus Stuttgart, den USA, Russland und Japan konnte jetzt den sogenannten Mott-Übergang untersuchen, an der Grenze zwischen leitendem und nichtleitendem Zustand. Sie glauben, dass damit langfristig die Konstruktion neuer Halbleiterbauelemente möglich wird und das Rätsel der Hochtemperatursupraleitung aufzuklären wäre.

1020 Elektronen befinden sich in einem Materialwürfel mit einem Zentimeter Kantenläge und, so konnten die Wissenschaftler mit neuartigen Computermodellen jetzt berechnen, die elektrische Abstoßung der Elektronen wird in Mott-Isolatoren so groß, dass sich nichts mehr bewegt. Die Elektronen sitzen fest, kein Strom fließt. Die Kunst, so die Überlegung, bestünde darin, die Abstoßung so weit zu reduzieren, dass das Material an einem bestimmten Punkt Elektronenbewegungen zulässt, und leitend wird, nur konnten solche Mott-Übergänge bislang nicht überprüft werden.

An anderen, nicht magnetischen Materialien, sogenannten Quanten-Spin-Flüssigkeiten, konnte der Übergang vom nichtleitenden zum leitenden Zustand erstmals untersucht werden. Quanteneigenschaften der Elektronen rufen eine Unbestimmtheit hervor, sogenannte metallische Fluktuationen, die in anderen Materialien von der magnetischen Ordnung verschleiert werden. Das »Niemandsland« an der Grenze zwischen Isolator und Metall wurde jetzt erstmals experimentell zugänglich.

Die vor einem Jahrzehnt entdeckten Quanten-Spin-Flüssigkeiten unterdrücken aufgrund ihrer Anordnung in einem Dreieck, im Fachjargon »geometrische Frustration« genannt, bis an den absoluten Temperaturnullpunkt jegliche magnetische Ordnung. Die magnetischen Spins stecken dort in einer Zwickmühle und wissen nicht, wie sie reagieren sollen. Diese Spins, so fanden die Stuttgarter Forscher heraus, können aber zu optischen Eigenschaften beitragen, obwohl sich die Elektronen nicht mehr bewegen. Damit ist der erste Blick in die »Black-Box« der Isolator-Leiter-Grenze gelungen, der letztlich die vollständige Aufklärung der Mechanismen des Mott-Überganges und deren Nutzbarmachung ermöglichen soll.