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Warum bestimmte Metalle nicht den geltenden Regeln folgen

Wenn wir an Metall denken, haben wir ein klares Bild im Kopf: Wir denken an feste, unzerbrechliche, leitfähige und typisch metallisch glänzende Gegenstände. Das Verhalten klassischer Metalle, beispielsweise ihre elektrische Leitfähigkeit, lässt sich durch bekannte und erprobte physikalische Theorien erklären.

Aber es gibt auch einige seltsame Metallverbindungen, die rätselhaft sind: Einige Legierungen sind hart und zerbrechlich, und spezielle Metalloxide können transparent sein. Es gibt sogar einige Materialien an der Grenze zwischen Metall und Isolator: Eine kleine Änderung der chemischen Zusammensetzung verwandelt das Metall in einen Isolator und umgekehrt. In diesen Materialien treten metallische Zustände mit extrem schlechter Leitfähigkeit auf; diese werden als „schlechte Metalle“ bezeichnet. Bisher scheinen diese „schlechten Metalle“ mit traditionellen Theorien überhaupt nicht erklärt werden zu können. Neue Messungen zeigen nun, dass diese Metalle doch gar nicht so „schlecht“ sind. Nach sorgfältiger Beobachtung entspricht ihr Verhalten voll und ganz unserem Verständnis von Metallen.

Warum bestimmte Metalle nicht den geltenden Regeln folgen

Professor Andrej Pustogow und sein Forschungsteam vom Duvien-Institut für Festkörperphysik in Wien forschen an speziellen metallischen Materialien, speziell im Labor gezüchteten kleinen Kristallen. Pustogow sagte, dass diese Kristalle metallische Eigenschaften haben, aber wenn man ihre Zusammensetzung leicht ändert, werden wir plötzlich auf einen Isolator stoßen, der keinen Strom mehr leitet und bei bestimmten Frequenzen so transparent wie Glas ist.

An diesem Übergangspunkt werden die Menschen auf ein ungewöhnliches Phänomen stoßen: Der Widerstand des Metalls wird sehr groß. Tatsächlich ist es größer als die Grenze, die von traditionellen Theorien erreicht wird. Andrei Pustoga erklärte, dass der Widerstand mit der gegenseitigen Streuung von Elektronen oder der Streuung an den Atomen des Materials zusammenhängt. Wenn nach dieser Ansicht Elektronen an jedem Atom beim Durchgang durch das Material gestreut werden, wird der größte Widerstand erzeugt. Schließlich gibt es zwischen einem Atom und seinen Nachbarn nichts, was Elektronen aus seiner Bahn nehmen könnte. Wirf es weg. Diese Regel scheint jedoch nicht für sogenannte „schlechte Metalle“ zu gelten: Sie weisen einen viel höheren Widerstand auf, als das Modell zulässt.

Es hängt alles von der Frequenz ab

Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems besteht darin, dass die Eigenschaften des Materials frequenzabhängig sind. Wenn man nur den Widerstand durch Anlegen einer Gleichspannung misst, erhält man nur eine Zahl, einen Null-Frequenz-Widerstand, sagt Andrej Pustogow. Andererseits verwenden wir Lichtwellen unterschiedlicher Frequenzen für optische Messungen.

Das zeigt, dass „schlechte Metalle“ gar nicht so „schlecht“ sind: Bei niedrigen Frequenzen leiten sie kaum Strom, bei hohen Frequenzen verhalten sie sich jedoch entsprechend den Erwartungen der Menschen an Metalle. Das Forscherteam glaubt, dass geringe Mengen an Verunreinigungen oder Defekten im Material der Grund dafür sein können, dass das Metall an der Grenze des Isolators nicht ausreichend abgeschirmt werden kann. Diese Defekte können dazu führen, dass bestimmte Bereiche des Kristalls keinen Strom mehr leiten, weil die Elektronen dort an bestimmten Orten bleiben, anstatt das Material zu durchdringen. Wenn an das Material eine Gleichspannung angelegt wird, damit sich Elektronen von einem Ende des Kristalls zum anderen bewegen können, erreicht jedes Elektron schließlich einen solchen isolierenden Bereich, und es kann kaum Strom fließen.

Andererseits bewegt sich jedes Elektron bei hohen Wechselstromfrequenzen ständig hin und her und legt im Kristall keine große Strecke zurück, da es ständig seine Richtung ändert. Dies bedeutet, dass in diesem Fall viele Elektronen nicht einmal mit einem isolierenden Bereich im Kristall in Kontakt kommen.

Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass die Spektroskopie ein sehr wichtiges Werkzeug ist, um grundlegende Fragen der Festkörperphysik zu beantworten. Andrej Pustogow fügte hinzu, dass viele Beobachtungen, die bisher glaubten, dass neue Modelle entwickelt werden müssen, sehr nützlich sein können, wenn sie vollständig erweitert werden. Verwenden Sie vorhandene Theorien, um es gut zu erklären. Unsere Messmethode zeigt, wo wir noch steigern müssen. In der frühen Forschung haben Professor Pustogow und seine internationalen Kollegen mit spektroskopischen Methoden ein wichtiges Verständnis des Grenzbereichs zwischen Metallen und Isolatoren gewonnen und damit eine theoretische Grundlage geschaffen.

Das Metallverhalten von Materialien, die von der starken Korrelation zwischen Elektronen betroffen sind, hängt auch insbesondere mit der sogenannten „unkonventionellen Supraleitung“ zusammen. Dieses Phänomen wurde vor einem halben Jahrhundert entdeckt, aber noch immer nicht vollständig verstanden.

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