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24. September 2021

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Metall und die Stimmigkeit physikalischer Theorien

Metall und die Stimmigkeit physikalischer Theorien © Pexels.com/Yender Foseca

Wie wird ein gutes Metall schlecht und warum werden manchmal bestimmte Regularien nicht eingehalten als Fragestellung und Ausgangsbasis für ein neues Projekt an der TU Wien.

(red/mich/cc) Der Begriff Metall ist hinlänglich bekannt, jede/r kann sich etwas vorstellen – beispielsweise feste, unzerbrechliche Objekte, die elektrischen Strom leiten und einen typischen metallischen Glanz zeigen. Auch wissenschaftlich lässt sich das Verhalten klassischer Metalle mit gut erprobten physikalischen Theorien erklären, etwa ihre elektrische Leitfähigkeit. Es gibt jedoch auch exotischere metallische Verbindungen, die Rätsel aufgeben. Manche Legierungen sind hart und spröde, spezielle Metalloxide können durchsichtig sein.

Und dann gibt es sogar Materialien genau an der Grenze zwischen Metall und Isolator, wo nur winzige Änderungen der chemischen Zusammensetzung entscheidend sind ob das Metall zum Isolator wird – oder umgekehrt. Dabei treten metallische Zustände mit extrem schlechter elektrischer Leitfähigkeit auf, sogenannte „schlechte Metalle“. Neue Messungen zeigen nun, dass diese Metalle gar nicht so „schlecht“ sind und ihr Verhalten durchaus zu dem passt, was schon bisher über Metalle bekannt war.

Kleine Änderungen ergeben großen Unterschied
Andrej Pustogow forscht mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Festkörperphysik der TU Wien an speziellen metallischen Materialien wie kleine, speziell im Labor gezüchtete Kristalle. „Diese Kristalle können die Eigenschaften eines Metalls annehmen, doch wird die Zusammensetzung minimal variiert, so haben wir es plötzlich mit einem Isolator zu tun, der keinen Strom mehr leitet und bei bestimmten Frequenzen durchsichtig ist wie Glas“, erläutert Pustogow.

Der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels ist, dass die Materialeigenschaften frequenzabhängig sind. „Wird der elektrische Widerstand bloß mittels Gleichspannung gemessen, ergibt das nur eine einzige Zahl – den Widerstand für die Frequenz 0. Wir haben hingegen optische Messungen durchgeführt und dafür Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Frequenzen verwendet“, so Andrej Pustogow.

Die Wanderungen der Elektronen bei Gleichspannung und Wechselstrom
Dabei zeigte sich, dass die „schlechten Metalle“ so „schlecht“ gar nicht sind: Bei niedrigen Frequenzen leiten sie zwar kaum Strom, aber bei höheren Frequenzen verhalten sie sich erwartungsgerecht. Mögliche Ursache sind winzige Mengen an Verunreinigungen oder Fehlstellen im Material und dadurch leiten manche Bereiche des Kristalls keinen Strom mehr. Die Elektronen bleiben an einem bestimmten Ort lokalisiert anstatt sich weiterzubewegen.

Bei Gleichspannung können jedoch die Elektronen von einer Seite des Kristalls zur anderen wandern und dann trifft praktisch jedes Elektron irgendwann eine solche isolierende Region - und Strom kann kaum fließen. Bei hoher Wechselstromfrequenz hingegen bewegt sich jedes Elektron ununterbrochen hin und her, es legt im Kristall keinen weiten Weg zurück, weil es immer wieder die Richtung ändert – und damit kommen viele Elektronen gar nicht in Kontakt mit einer der isolierenden Regionen im Kristall.

Ein Fundament für die Theorie und weitere Forschungen.
„Viele Beobachtungen, für die man bisher glaubte, exotische, neuartige Modelle entwickeln zu müssen, könnten sich sehr wohl mit bekannten Theorien erklären lassen, wenn man diese adäquat ergänzt. Unsere Messmethode zeigt, wo die Ergänzungen notwendig sind“, betont Pustogow. Der Forscher konnte mit internationalen Kollegen bereits in früheren Studien mittels spektroskopischer Methoden wichtige Einblicke in den Grenzbereich zwischen Metall und Isolator schaffen.

Die Wissenschaftler schaffen damit auch ein Fundament für die Theorie und weitere Forschungen. Das metallische Verhalten von Materialien, in denen starke Korrelationen zwischen den Elektronen herrschen, ist auch besonders relevant für die sogenannte „unkonventionelle Supraleitung“ – ein Phänomen, das vor einem halben Jahrhundert entdeckt wurde, aber bis heute nicht vollständig verstanden ist.

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red/mich/cc, Economy Ausgabe Webartikel, 15.03.2021