Dank der eingefangenen Elektronen bleibt ein Material, von dem man erwartet, dass es sich um ein leitendes Metall handelt, ein Isolator

Neue Forschungsergebnisse geben Aufschluss über den Mechanismus, der hinter der Umwandlung eines speziellen Materials von einem elektrisch leitenden Metall in einen elektrischen Isolator steckt. Die Forscher untersuchten Lanthan-Strontium-Nickeloxid (La1,67Sr0,33NiO4), das aus einem Quantenmaterial La2NiO4 stammt. Quantenmaterialien haben ungewöhnliche Eigenschaften, die aus der Wechselwirkung ihrer Elektronen resultieren. Unterhalb einer kritischen Temperatur ist das mit Strontium dotierte Material ein Isolator. Dies ist auf die Trennung der eingeführten Löcher von den magnetischen Bereichen zurückzuführen, wodurch „Streifen“ entstehen. Mit zunehmender Temperatur schwanken diese Streifen und schmelzen bei 240 K. Bei dieser Temperatur erwarteten die Forscher, dass das Material zu einem leitenden Metall wird. Stattdessen bleibt es ein isolierendes Material. Neutronenstreuung bringt Licht auf dieses faszinierende Phänomen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Material aufgrund bestimmter Atomschwingungen, die Elektronen einfangen und so die elektrische Leitung behindern, ein Isolator bleibt.

Quantenmaterialien haben Eigenschaften, die von den Teilen, aus denen diese Materialien bestehen, nicht vorhergesagt werden können. Sie können beispielsweise von Metallen zu Isolatoren übergehen oder als Supraleiter wirken. Sie sind vielversprechend für Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Diese Forschung beschreibt die Einstellbarkeit der Elektron-Phonon-Wechselwirkung am Metall-Isolator-Übergang in einem Quantenmaterial. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, theoretische Modelle von Materialien mit stark wechselwirkenden Elektronen zu validieren. Diese Theorien werden Wissenschaftlern helfen, neue Quantenmaterialien für zukünftige Technologien zu entwerfen.

In Metallen können Elektronen als freie Teilchen betrachtet werden, die entlang von durch die Kristallstruktur erzwungenen Flugbahnen fliegen. In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler neue Materialien entdeckt, bei denen sich Elektronen gegenseitig stark abstoßen und von Atomschwingungen im Wirtskristall abprallen. Diese Materialien weisen ungewöhnliche und technologisch nützliche Eigenschaften auf. Zu diesen Eigenschaften können ein dramatischer Abfall des elektrischen Widerstands in Magnetfeldern, Elektronenleitung nur an der Oberfläche und Hochtemperatursupraleitung gehören. Das Verständnis dieser Eigenschaften in verschiedenen Materialien bleibt eine große Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft.

Bei dieser Arbeit wurden hochintensive Neutronenstrahlen an der Spallation-Neutronenquelle, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), verwendet, um tief in das Innere eines archetypischen Quantenmaterials La2NiO4 zu blicken, in dem ein Sechstel der Lanthanatome (La) ersetzt ist mit Strontium (Sr)-Atomen (La1,67Sr0,33NiO4). Zum Team gehörten Forscher der University of Colorado Boulder, ORNL, des Brookhaven National Laboratory und des RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan. Diese Materialien isolieren bei niedrigen Temperaturen aufgrund der sogenannten „Streifen“-Ordnung, die sich aus dem komplexen Zusammenspiel zwischen elektronischen Spins und den durch Strontiumdotierung eingeführten Löchern ergibt. Es wird erwartet, dass das dotierte Material oberhalb von 240 K metallisch wird, wenn die Streifen schmelzen. Das Material bleibt jedoch isolierend. Die Zusammenarbeit deckte starke Reibung zwischen den Löchern und bestimmte Schwingungen von Sauerstoffionen auf und fand Hinweise auf diese Wechselwirkung in anderen Materialien mit ähnlicher Struktur. Der mikroskopische Mechanismus könnte den Weg für die Entwicklung neuer Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften ebnen, die für verschiedene Quantentechnologien nützlich sind.