Die Geheimnisse der Metall-Isolator-Übergänge entschlüsseln

Durch die Verwendung einer Röntgentechnik, die an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) verfügbar ist, fanden Wissenschaftler heraus, dass der Metall-Isolator-Übergang im Magnetit des korrelierten Materials ein zweistufiger Prozess ist. Die Forscher der University of California Davis veröffentlichten ihre Arbeit in der Zeitschrift Physical Review Letters. NSLS-II, eine Benutzereinrichtung des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science am Brookhaven National Laboratory, verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es ermöglichen, die Technik mit Stabilität und Kontrolle über lange Zeiträume anzuwenden.

„Korrelierte Materialien haben interessante elektronische, magnetische und strukturelle Eigenschaften, und wir versuchen zu verstehen, wie sich diese Eigenschaften ändern, wenn sich ihre Temperatur ändert oder wenn Lichtimpulse oder ein elektrisches Feld angelegt wird“, sagte Roopali Kukreja, Professor bei UC Davis und Hauptautor der Arbeit. Eine dieser Eigenschaften ist die elektrische Leitfähigkeit, die bestimmt, ob ein Material metallisch oder ein Isolator ist.

Wenn ein Material ein guter Stromleiter ist, ist es in der Regel metallisch, und wenn nicht, wird es als Isolator bezeichnet. Im Falle von Magnetit kann sich die Temperatur ändern, ob es sich bei dem Material um einen Leiter oder Isolator handelt. Für die veröffentlichte Studie war es das Ziel der Forscher zu sehen, wie sich der Magnetit auf atomarer Ebene von Isolator zu Metall verändert hat, wenn er heißer wird.

In jedem Material gibt es eine bestimmte Anordnung von Elektronen in jedem seiner Milliarden Atome. Diese Ordnung der Elektronen ist wichtig, weil sie die Eigenschaften eines Materials bestimmt, zum Beispiel seine Leitfähigkeit. Um den Metall-Isolator-Übergang des Magnetits zu verstehen, brauchten die Forscher eine Möglichkeit zu beobachten, wie sich die Anordnung der Elektronen im Material mit der Veränderung der Temperatur änderte.

„Diese elektronische Anordnung hängt damit zusammen, warum wir glauben, dass Magnetit zu einem Isolator wird“, sagte Kukreja. Die Untersuchung dieser Anordnung und ihrer Veränderungen unter verschiedenen Bedingungen erforderte jedoch, dass die Wissenschaftler in der Lage waren, das Magnetit in einem superfeinen Maßstab zu betrachten.

Die Technik, die als Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) bekannt ist und an der Strahllinie Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) von NSLS-II verfügbar ist, ermöglichte es den Forschern zu untersuchen, wie sich das Material im Nanobereich verändert hat – in der Größenordnung von Milliardstel Metern.

„CSX ist für die kohärente Streuung von weichen Röntgenstrahlen ausgelegt. Das bedeutet, dass die Strahlführung unsere ultrahelle, stabile und kohärente Röntgenquelle nutzt, um zu analysieren, wie sich die Anordnung des Elektrons im Laufe der Zeit ändert“, erklärt Andi Barbour, CSX-Wissenschaftler und Mitautor auf dem Papier. „Die ausgezeichnete Stabilität ermöglicht es den Forschern, winzige Variationen über Stunden zu untersuchen, um das intrinsische Elektronenverhalten in Materialien zu zeigen.“

Dies ist jedoch nicht direkt sichtbar, so dass XPCS einen Trick anwendet, um die Informationen preiszugeben.

„Die XPCS-Technik ist eine kohärente Streumethode, die in der Lage ist, die Dynamik in einem System mit kondensierter Materie zu untersuchen. Ein Speckle-Muster entsteht, wenn ein kohärenter Röntgenstrahl aus einer Probe gestreut wird, als Fingerabdruck seiner Inhomogenität im realen Raum“, sagt Wen Hu, Wissenschaftler am CSX und Mitautor der Arbeit.

Wissenschaftler können dann unterschiedliche Bedingungen auf ihr Material anwenden, und wenn sich das Speckle-Muster ändert, bedeutet dies, dass sich die Elektronenordnung in der Probe ändert. „Im Wesentlichen misst XPCS, wie lange es dauert, bis sich die Intensität eines Speckle stark von der durchschnittlichen Intensität unterscheidet, die als Dekorrelation bekannt ist“, sagt Claudio Mazzoli, der leitende Beamline-Wissenschaftler an der CSX-Beamline. „Betrachtet man viele Flecken auf einmal, so ist die Dekorrelationszeit des Ensembles die Signatur der dynamischen Zeitskala für eine bestimmte Probenbedingung.“

Die Technik zeigte, dass der Metall-Isolator-Übergang kein einstufiger Prozess ist, wie zuvor angenommen, sondern tatsächlich in zwei Schritten erfolgt.

„Was wir erwartet haben, war, dass die Dinge beim Aufwärmen immer schneller werden. Was wir gesehen haben, war, dass die Dinge immer schneller werden und dann verlangsamen sie sich. Die schnelle Phase ist also ein Schritt und der zweite Schritt ist die Verlangsamung, und das muss geschehen, bevor das Material metallisch wird“, sagte Kukreja. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Verlangsamung eintritt, weil während des Phasenwechsels die metallischen und isolierenden Eigenschaften im Material tatsächlich gleichzeitig vorhanden sind.

„Diese Studie zeigt, dass diese Nanometerlängenskalen für diese Materialien wirklich wichtig sind“, sagt Kukreja. „Wir können auf diese Informationen und diese experimentellen Parameter nirgendwo anders zugreifen als an der CSX-Beamline des NSLS-II.“

Mehr Informationen:
Roopali Kukreja et al. Orbitalbereichsdynamik in Magnetit unterhalb des Verwey Transition, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.177601

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