Materialforschung Leiter oder Isolator – das ist hier die Frage!

Forscher der Universität Cambridge haben das widersprüchliche Verhalten eines Materials nachgewiesen, das gleichzeitig Eigenschaften eines Leiters und eines Isolators aufweist. Die Ergebnisse stellen das aktuelle Verständnis davon infrage, wie sich Materialien verhalten.

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Indem sie den Weg der Elektronen verfolgt haben, die diese in dem einem Material zurücklegen, haben Wissenschaftler der Universität Cambridge herausgefunden, dass das Material SmB₆ (Samarium-Hexaborid) metallische und isolierende Eigenschaften gleichzeitig aufweisen kann. Bisher ist noch nicht bekannt, was dieses widersprüchliche Verhalten verursacht.

Dieses widersprüchliche Verhalten konnte kürzlich auch in anderen Materialien nachgewiesen werden – diese besitzen jedoch eine Sandwich-Struktur, bei der sich die Oberfläche anders verhält wie der Rest des Materials. Bei SmB₆ kann der Bulk dagegen selber gleichzeitig Leiter und Isolator sein.

„Die Entdeckung des doppelten Metall-Isolator-Verhaltens in einem einzigen Material hat das Potenzial, jahrzehntelange konventionelles Wissen in Bezug auf die grundlegende Gegensätzlichkeit zwischen Metallen und Isolatoren zu stürzen,“ sagt der Forschungsleiter Dr. Suchitra Sebastian vom Cavendish Laboratory der Uni Cambridge.

Zur Erforschung von SmB₆ sowie verschiedener anderer Materialien bestimmten die Wissenschaftler die Fermi-Flächen, die je nach Form und Fläche und Beweglichkeit der Elektronen, die physikalischen Eigenschaften von Metallen bestimmen.

„Es ist ein Zwiespalt“, sagte Sebastian. „Der hohe elektrische Widerstand von SmB₆ zeigt das isolierende Verhalten, aber die Fermi-Fläche, die wir beobachtet haben, ist die eines Metalls.“

Die Forscher nennen mehrere Gründe für diese eigentümliche Verhalten: Es könnte sich um eine Phase, die weder Isolator noch Leiter ist, handeln, es könnte aber auch eine Fluktuation zwischen diesen beiden Phasen sein. Da SmB6 eine schmale Lücke zwischen isolierendem und leitenden Verhaltem besitzt, ist eine weitere Möglichkeit, dass die Elektronen eventuell fähig sind, diese Lücke quasi zu überspringen.

„Der Übergangsbereich zwischen zwei verschiedenen Phasen – zum Beispiel magnetischen und nicht magnetischen – ist der Bereich, wo die wirklich interessante Physik stattfindet“, sagte Sebastian. „Da sich dieses Material in der Nähe des Übergangsbereichs zwischen Isolator und Leiter befindet, fanden wir heraus, dass es einige wirklich seltsame Eigenschaften zeigt. Wir untersuchen, ob es sich um eine neue Quantenphase handelt.“

Bisher ist noch nicht bekannt, was dieses Verhalten verursacht. Eine möglich Erklärung ist die Existenz einer potenziellen dritten Phase, die weder ein Isolator noch ein Leiter ist. Die Studie stellt das bisherige Verständnis der Materialklassen infrage und weist auf einen neuen isolierenden Zustand hin.

Aber das Geheimnis ist noch nicht zu Ende. An den niedrigsten Temperaturen nahe 0 Grad Kelvin (-273 Grad Celsius), wurde deutlich, dass die Quantenschwingungen für SmB₆ nicht charakteristisch für ein herkömmliches Metall sind. Wenn die Temperatur abgesenkt wird, nimmt die Amplitude der Quantenoszillationen zunächst zu und nivelliert sich dann. Im Falle von SmB₆ nimmt die Amplitude der Quantenoszillationen dagegen weiter dramatisch zu. Das verletzt die Regeln, die bei herkömmlichen Metallen gelten.

Literaturhinweis:

[1] B. S. Tan, Y.-T. Hsu, B. Zeng, M. Ciomaga Hatnean, N. Harrison, Z. Zhu, M. Hartstein, M. Kiourlappou, A. Srivastava, M. D. Johannes, T. P. Murphy, J.-H. Park, L. Balicas, G. G. Lonzarich, G. Balakrishnan, and Suchitra E. Sebastian. Unconventional Fermi surface in an insulating state. Science, 2 July 2015

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