Nieuwe metingen hebben een mysterie in de vastestoffysica opgelost:hoe komt het dat bepaalde metalen niet aan de geldige regels lijken te voldoen?

Metalen worden doorgaans als vast beschouwd, onbreekbare materialen die elektriciteit geleiden en een typische metaalachtige glans vertonen. Het gedrag van klassieke metalen, bijvoorbeeld, hun elektrische geleidbaarheid, kan worden uitgelegd met bekende, goed geteste natuurkundige theorieën.

Maar er zijn ook meer exotische metaalverbindingen die voor raadsels zorgen:sommige legeringen zijn hard en broos, speciale metaaloxiden kunnen transparant zijn. Er zijn zelfs materialen op de grens tussen metaal en isolator:kleine veranderingen in de chemische samenstelling veranderen het metaal in een isolator - of omgekeerd. Bij dergelijke materialen metaalachtige toestanden met extreem slechte elektrische geleidbaarheid komen voor; deze worden "slechte metalen" genoemd. Tot nu, het leek erop dat deze 'slechte metalen' eenvoudigweg niet konden worden verklaard met conventionele theorieën. Nieuwe metingen laten nu zien dat deze metalen toch niet zo "slecht" zijn. Bij nader inzien, hun gedrag sluit perfect aan bij wat we al wisten over metalen.

Kleine verandering, groot verschil

Prof. Andrej Pustogow en zijn onderzoeksgroep aan het Instituut voor Vaste-stoffysica van de TU Wien (Wenen) doen onderzoek naar speciale metalen materialen:kleine kristallen die speciaal in het laboratorium zijn gekweekt. "Deze kristallen kunnen de eigenschappen van een metaal aannemen, maar als je de compositie een klein beetje verandert, we hebben ineens te maken met een isolator die geen elektriciteit meer geleidt en op bepaalde frequenties transparant is als glas, ', zegt Pustogow.

Precies op deze overgang, komt men een ongewoon fenomeen tegen:de elektrische weerstand van het metaal wordt extreem groot - groter, in feite, dan volgens conventionele theorieën überhaupt mogelijk zou moeten zijn. "Elektrische weerstand heeft te maken met de elektronen die naar elkaar of naar de atomen van het materiaal worden verstrooid, " legt Andrej Pustogow uit. Volgens deze visie, de grootst mogelijke elektrische weerstand zou moeten optreden als het elektron op elk afzonderlijk atoom op zijn weg door het materiaal wordt verstrooid - per slot van rekening er is niets tussen een atoom en zijn buur dat het elektron van zijn pad zou kunnen werpen. Maar deze regel lijkt niet van toepassing te zijn op zogenaamde "slechte metalen":ze vertonen een veel hogere weerstand dan dit model zou toestaan.

Het hangt allemaal af van de frequentie

De sleutel tot het oplossen van deze puzzel is dat de materiaaleigenschappen frequentieafhankelijk zijn. "Als je de elektrische weerstand gewoon meet door een gelijkspanning aan te leggen, je krijgt maar een enkel getal - de weerstand bij frequentie nul, " zegt Andrej Pustogow. "Wij, anderzijds, optische metingen gedaan met lichtgolven met verschillende frequenties."

Hieruit bleek dat de "slechte metalen" toch niet zo "slecht" zijn:bij lage frequenties geleiden ze nauwelijks stroom, maar bij hogere frequenties gedragen ze zich zoals je van metalen zou verwachten. Het onderzoeksteam beschouwt kleine hoeveelheden onzuiverheden of defecten in het materiaal, die niet meer voldoende kan worden afgeschermd door een metaal op de grens van een isolator, als mogelijke oorzaak. Deze defecten kunnen ertoe leiden dat sommige delen van het kristal geen elektriciteit meer geleiden, omdat daar de elektronen op een bepaalde plaats blijven zitten in plaats van door het materiaal te bewegen. Als er een gelijkspanning op het materiaal wordt gezet zodat de elektronen van de ene kant van het kristal naar de andere kunnen gaan, dan zal vrijwel elk elektron uiteindelijk zo'n isolerend gebied raken en kan er nauwelijks stroom vloeien.

Bij hoge AC-frequentie, anderzijds, elk elektron beweegt continu heen en weer - het legt geen lange afstand af in het kristal omdat het steeds van richting verandert. Dit betekent dat in dit geval veel elektronen niet eens in contact komen met een van de isolerende gebieden in het kristal.

Hoop op belangrijke vervolgstappen

"Onze resultaten laten zien dat optische spectroscopie een zeer belangrijk hulpmiddel is voor het beantwoorden van fundamentele vragen in de vastestoffysica, " zegt Andrej Pustogow. "Veel waarnemingen waarvan eerder werd aangenomen dat ze exotisch waren, nieuwe modellen moesten worden ontwikkeld, zouden heel goed kunnen worden verklaard door bestaande theorieën als ze voldoende werden uitgebreid. Onze meetmethode laat zien waar de toevoegingen nodig zijn." Al in eerdere onderzoeken, Prof. Pustogow en zijn internationale collega's hebben belangrijk inzicht gekregen in het grensgebied tussen metaal en isolator, met behulp van spectroscopische methoden, waardoor een fundament voor theorie wordt gelegd, .

Het metallische gedrag van materialen die onderhevig zijn aan sterke correlaties tussen de elektronen is ook bijzonder relevant voor de zogenaamde "onconventionele supergeleiding" - een fenomeen dat een halve eeuw geleden werd ontdekt maar nog steeds niet volledig wordt begrepen.