Of water nu bevriest tot ijs, ijzer wordt gedemagnetiseerd of een materiaal wordt supergeleidend – voor natuurkundigen zit er altijd een faseovergang achter. Ze trachten deze verschillende fenomenen te begrijpen door te zoeken naar universele eigenschappen. Onderzoekers van de Goethe Universiteit Frankfurt en de Technische Universität Dresden hebben nu een baanbrekende ontdekking gedaan tijdens hun studie van een faseovergang van een elektrische geleider naar een isolator (Mott metaal-isolator overgang).

Volgens de voorspelling van Sir Nevill Francis Mott in 1937, de wederzijdse afstoting van geladen elektronen, die verantwoordelijk zijn voor het geleiden van elektrische stroom, kan een metaal-isolator overgang veroorzaken. Nog, in tegenstelling tot de gangbare leerboekopvatting, volgens welke de faseovergang uitsluitend wordt bepaald door de elektronen, het is de interactie van de elektronen met het atoomrooster van de vaste stof die de bepalende factor is. Dat melden de onderzoekers in het laatste nummer van de wetenschappelijke vooruitgang logboek.

De onderzoeksgroep, onder leiding van professor Michael Lang van het Physics Institute van de Goethe-universiteit Frankfurt, is erin geslaagd de ontdekking te doen met behulp van een zelfgemaakt apparaat dat wereldwijd uniek is. Hiermee kunnen lengteveranderingen bij lage temperaturen onder variabele externe druk met extreem hoge resolutie worden gemeten. Op deze manier, het was voor het eerst mogelijk om experimenteel te bewijzen dat niet alleen de elektronen een belangrijke rol spelen bij de faseovergang, maar ook het atoomrooster - de steiger van de vaste stof.

"Deze experimentele resultaten zullen een paradigmaverschuiving inluiden in ons begrip van een van de belangrijkste fenomenen van het huidige onderzoek naar gecondenseerde materie, " zegt Professor Lang. De Mott metaal-isolator overgang is namelijk gekoppeld aan ongewone verschijnselen, zoals supergeleiding bij hoge temperatuur in op koperoxide gebaseerde materialen. Deze bieden een enorm potentieel voor toekomstige technische toepassingen.

De theoretische analyse van de experimentele bevindingen is gebaseerd op het fundamentele idee dat de vele deeltjes in een systeem dicht bij een faseovergang niet alleen interageren met hun directe buren, maar ook over lange afstanden "communiceren" met alle andere deeltjes. Als gevolg hiervan, alleen overkoepelende aspecten zijn belangrijk, zoals de symmetrie van het systeem. De identificatie van dergelijke universele eigenschappen is dus de sleutel tot het begrijpen van faseovergangen.

"Deze nieuwe inzichten openen een geheel nieuw perspectief op de Mott-metaal-isolatorovergang en maken meer geavanceerde theoretische modellering van de faseovergang mogelijk, " legt Dr. Markus Garst uit, Universitair hoofddocent aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Technische Universität Dresden.