Hvordan gode metaller bliver dårlige:Discovery forklarer uventede egenskaber ved eksotiske metalliske forbindelser

Nye målinger har løst et mysterium inden for faststoffysik:Hvordan kan det være, at visse metaller ikke ser ud til at overholde de gældende regler?

Metaller anses normalt for at være faste, ubrydelige materialer, der leder elektricitet og udviser en typisk metallisk glans. Opførsel af klassiske metaller, for eksempel, deres elektriske ledningsevne, kan forklares med velkendte, velafprøvede fysiske teorier.

Men der er også mere eksotiske metalliske forbindelser, der udgør gåder:Nogle legeringer er hårde og skøre, specielle metaloxider kan være gennemsigtige. Der er endda materialer lige ved grænsen mellem metal og isolator:små ændringer i den kemiske sammensætning gør metallet til en isolator - eller omvendt. I sådanne materialer, metalliske tilstande med ekstrem dårlig elektrisk ledningsevne forekommer; disse omtales som "dårlige metaller". Indtil nu, det så ud til, at disse "dårlige metaller" simpelthen ikke kunne forklares med konventionelle teorier. Nye målinger viser nu, at disse metaller trods alt ikke er så "dårlige". Ved nærmere eftersyn, deres adfærd passer perfekt ind i det, vi allerede vidste om metaller.

Lille forandring, stor forskel

Prof. Andrej Pustogow og hans forskergruppe ved Institut for Faststoffysik ved TU Wien (Wien) forsker i specielle metalliske materialer - små krystaller, der er blevet specielt dyrket i laboratoriet. "Disse krystaller kan påtage sig et metals egenskaber, men hvis du varierer sammensætningen en lille smule, vi har pludselig at gøre med en isolator, der ikke længere leder elektricitet og er gennemsigtig som glas ved bestemte frekvenser, " siger Pustogow.

Lige ved denne overgang, man støder på et usædvanligt fænomen:metallets elektriske modstand bliver ekstremt stor - større, faktisk, end det overhovedet burde være muligt ifølge konventionelle teorier. "Elektrisk modstand har at gøre med, at elektronerne er spredt mod hinanden eller ved materialets atomer, " forklarer Andrej Pustogow. Ifølge denne opfattelse, den størst mulige elektriske modstand skulle opstå, hvis elektronen spredes ved hvert enkelt atom på sin vej gennem materialet - trods alt, der er intet mellem et atom og dets nabo, der kan kaste elektronen væk fra dens vej. Men denne regel ser ikke ud til at gælde for såkaldte "dårlige metaller":De viser en meget højere modstand, end denne model ville tillade.

Det hele afhænger af frekvensen

Nøglen til at løse dette puslespil er, at materialeegenskaberne er frekvensafhængige. "Hvis du bare måler den elektriske modstand ved at anvende en jævnspænding, du får kun et enkelt tal - modstanden ved nul frekvens, " siger Andrej Pustogow. "Vi, på den anden side, lavet optiske målinger ved hjælp af lysbølger med forskellige frekvenser."

Dette viste, at de "dårlige metaller" trods alt ikke er så "dårlige":Ved lave frekvenser leder de næsten ikke nogen strøm, men ved højere frekvenser opfører de sig, som man kunne forvente af metaller. Forskerholdet overvejer små mængder urenheder eller defekter i materialet, som ikke længere kan afskærmes tilstrækkeligt af et metal ved grænsen til en isolator, som en mulig årsag. Disse defekter kan forårsage, at nogle områder af krystallen ikke længere leder elektricitet, fordi elektronerne der forbliver lokaliseret et bestemt sted i stedet for at bevæge sig gennem materialet. Hvis en jævnspænding påføres materialet, så elektronerne kan bevæge sig fra den ene side af krystallen til den anden, så vil stort set alle elektroner til sidst ramme et sådant isolerende område, og strømmen kan næsten ikke flyde.

Ved høj AC-frekvens, på den anden side, hver elektron bevæger sig frem og tilbage kontinuerligt - den dækker ikke en lang afstand i krystallen, fordi den bliver ved med at ændre retning. Det betyder, at i dette tilfælde kommer mange elektroner ikke engang i kontakt med et af de isolerende områder i krystallen.

Håber på vigtige yderligere skridt

"Vores resultater viser, at optisk spektroskopi er et meget vigtigt værktøj til at besvare grundlæggende spørgsmål inden for faststoffysik, " siger Andrej Pustogow. "Mange observationer, for hvilke man tidligere troede, at eksotiske, nye modeller, der skulle udvikles, kunne meget vel forklares med eksisterende teorier, hvis de blev udvidet tilstrækkeligt. Vores målemetode viser, hvor tilføjelserne er nødvendige." Allerede i tidligere undersøgelser, Prof. Pustogow og hans internationale kolleger fik vigtig indsigt i grænseområdet mellem metal og isolator, ved hjælp af spektroskopiske metoder, derved etablere et fundament for teori, .

Den metalliske opførsel af materialer, der er underlagt stærke korrelationer mellem elektronerne, er også særligt relevant for såkaldt "ukonventionel superledning" - et fænomen, der blev opdaget for et halvt århundrede siden, men som stadig ikke er fuldt ud forstået.