من الكريستال إلى المعدن في مقياس النانو

يجد التعاون الدولي دليلًا على انتقال المرحلة Mott

يوفر المنظار بالأشعة تحت الحمراء صورًا للتغيرات في البلورة أثناء انتقال مرحلة Mott © MPI for Biochemistry
قراءة بصوت عال

في بلورة غير موصلة ، يمكن أن تتشكل المناطق المعدنية الصغيرة تلقائيًا ، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل البلورة إلى معدن موصل. لقد تم تحقيق هذه الملاحظة لأول مرة بمساعدة مجهر خاص. كما يقول علماء العلوم ، فإن هذا الاكتشاف قد يحسن فهم الموصلات الفائقة ويسهل البحث عن سلالم أفضل للحوسبة عالية السرعة.

يقدم كل من ماركوس بريم وفريتز كيلمان من معهد ماكس بلانك للكيمياء الحيوية في مارتينسريد وزملاؤهم الدوليين في دراستهم مقاربة تجريبية جديدة للمشكلة المفتوحة منذ فترة طويلة والتي يطلق عليها انتقال المرحلة العازلة للمعادن في موت في ثاني أكسيد الفاناديوم.

إعاقة حركة الإلكترونات

تحتوي المواد مثل النحاس المعدني على العديد من الإلكترونات المتحركة التي تحمل التيار الكهربائي. كما هو الحال في الألومنيوم أو الذهب أو الفضة ، لا تتداخل الإلكترونات ، ولكنها تتحرك بحرية عبر الشبكة البلورية للذرات.

ومع ذلك ، في مواد الأكسيد الأكثر تعقيدًا مثل ثاني أكسيد الفاناديوم ، تشعر الإلكترونات بالشحنات الإيجابية والسلبية للذرات ويمكن إعاقة حركتها. يسميهم الفيزيائيون "المواد المرتبطة". على سبيل المثال ، الموصلات الفائقة هي مواد مرتبطة ، أو حتى أشباه الموصلات ، أي بلورات بها شوائب قليلة فقط ، يساهم كل منها في إلكترون محمول واحد.

يمكن لهذه المواد المرتبطة أن تظهر تغيرات غير عادية في خواصها الفيزيائية ، على سبيل المثال ، تتحول من مادة غير موصلة إلى معدن عند ضغطها قليلاً أو تسخينها. يبدأ ثاني أكسيد Vandium في أن يصبح موصلاً عند 68 درجة مئوية ويتحول بالفعل إلى معدن عند 71 درجة مئوية ، وعند التبريد ، تختفي الموصلية مرة أخرى. عرض

الأدلة التجريبية كانت مفقودة حتى الآن

منذ الاعتبارات النظرية الأساسية للسير نيفيل موت ، يتساءل فيزيائيو الحالة الصلبة عن كيفية تجربة انتقال المرحلة العازل - المعدني. في طريق النجاح ، أبدى العالم الطيفي DN Basov وشريكه النظري A.Balatsky اهتمامهم بفصل الطور الإلكتروني ، وهو حدوث عفوي لأرقى أوجه التجانس التي قد تحدث في العديد من المواد المترابطة. يتطلب جعلها مرئية "عدسة مكبرة لعالم النانو" ، أي هياكل ذات أبعاد بين تلك الذرات والبلورات الدقيقة الناضجة.

جزر معدنية (خضراء) في البلورة غير الموصلة (الزرقاء) MPI للكيمياء الحيوية

صور الأشعة تحت الحمراء تشمل التحويل

كان نانوسكوب الأشعة تحت الحمراء التابع لمجموعة العمل كيلمان هو الأداة الصحيحة في الوقت المناسب. الآن جاء DN Basov مع بلورات ثاني أكسيد الفاناديوم من كوريا إلى حملة قياس ناجحة لشركة Martinsried. رأى باحث ما بعد الدكتوراة M. Brehm فجأة أن البلورة ذات الهيكل المعدني قد اخترقتها مناطق معدنية صغيرة لا تعد ولا تحصى عند الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة ، التي أصبحت أكبر تدريجيا وتلتحم.

صور الأشعة تحت الحمراء التي التقطت في فترات درجة حرارة دقيقة الواردة في التطور الرياضي وجود غير متوقع لحالة المواد من الارتباط الإلكترون عالية للغاية ، والذي يحدث بالتساوي وفقط في المرحلة غير متجانسة النانوية من تحول المواد.

يمكن لمنظار الأشعة تحت الحمراء الذي يبلغ طول موجته الطويلة 10000 نانومتر اكتشاف هذه الأشياء الصغيرة فقط لأن الضوء يتم إعادة تركيزه تقريبًا بواسطة طرف التحقيق (يشبه هذا التأثير التقاط الراديو بواسطة هوائي سيارة). تعكس المناطق المعدنية ضوء الأشعة تحت الحمراء ، والذي يتركز إلى 20 نانومتر ، بشكل جيد للغاية ، وبالتالي يظهر بوضوح في صورة الأشعة تحت الحمراء.

مواد مخصصة ممكن

يجب أن تساعد الأفكار المكتسبة حول العالم في فهم الحالة المادية لكيفية انتقال الجزيئات المشحونة عبر المواد المترابطة بشكل أفضل. يمكن أن يقود خبراء المواد إلى تحسين المنشطات بالذرات للتحكم في عتبات الموصلية أو الموصلية الفائقة.

من ناحية أخرى ، ربما يكون التيار الكهربائي بالكامل أو مواد صد المجال المغناطيسي مصممة خصيصًا. "بالطبع ، نشعر بسعادة غامرة لأن أربع مجموعات بحثية ذات توجهات مختلفة (النظرية ، التحليل الطيفي ، البصريات ، وبحوث المواد) تعرض بشكل مشترك أول تطبيق منظارنا النانوي بالأشعة تحت الحمراء لحل مشكلة أساسية في فيزياء الحالة الصلبة" (F Keilmann ).

(معهد ماكس بلانك للكيمياء الحيوية ، 14.12.2007 - NPO)