Caltech University Bestimmte Metalle können »ferroelektrisch« sein

Probe mit Lithiumosmat, das sowohl ein Metall als ist auch ferroelektrische Eigenschaften besitzt.
Probe mit Lithiumosmat, das sowohl ein Metall ist als auch ferroelektrische Eigenschaften besitzt.

Jeder Physikstudent lernt, dass Metalle in ihrem Inneren kein elektrisches Feld aufweisen können, per definitionem also nicht ferroelektrisch sind. Forscher an der Caltech wollen das nun widerlegt haben. Diese könnte Auswirkungen auf den Einsatz von Metallen in Computern und anderen Geräten haben.

Metalle sind in gewisser Weise das Gegenstück zu Ferroelektrika. Trotzdem fragen sich Wissenschaftler seit fast 50 Jahren, ob sich ein Metall nicht vielleicht doch ferroelektrisch verhalten könnte. Dies postulierten zwei Wissenschaftler im Jahr 1965, P.W. Anderson und E.I. Blount. Im Speziellen behaupteten sie, dass die Kristallstruktur eines Metalls polare atomare Verzerrungen aufweisen könnte, ähnlich wie bei isolierenden Ferroelektrika. Im Jahr 2013 schließlich wurde ein solcher Kandidat entdeckt: Lithiumosmat (LiOsO3).

Jetzt haben die Forscher der Caltech Details über diesen Anderson-Blount-Mechanismus veröffentlicht, mit dem LiOsO3 ferroelektrisch wirkt. Diese Erkenntnis könnte sich auf das zukünftige Design neuer Metalle für den Einsatz in Computern und anderen Geräten auswirken.

»Wofür diese Art von Material verwendet werden könnte, ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt schwer vorherzusagen. Doch wir stehen an der Spitze der Forschung an diesen Metallen mit völlig neuartigen Eigenschaften«, erklärt Nick Laurita, Postdoktorand und Hauptautor der Studie. Er forscht im Labor von David Hsieh, Professor für Physik an der Caltech University und Mitglied des Instituts für Quanteninformation und -materie (IQIM). »Damit könnte sich ein Weg zu einem völlig neuartigen Werkstoff eröffnen, der zwei vermeintlich inkompatible Eigenschaften verbindet – Ferroelektrizität und metallspezifische Eigenschaften«, erläutert Hsieh.

Ferroelektrische Materialien, die immer isolierend sind, finden sich in vielen Bereichen, von Ultraschallgeräten über Infrarotkameras bis hin zu Einspritzventilen von Dieselmotoren. »Diese Materialien sind sehr nützlich, weil man ihr elektrisches Feld in die gewünschte Richtung umschalten kann«, sagt Laurita.

Damit ein Material im Innern ein elektrisches Feld ausbilden kann, muss es »polar« sein. Damit ist gemeint, dass sich positive und negative Ladungen räumlich trennen lassen. In einem ferroelektrischen Material tritt die Polarisation aufgrund von Verzerrungen in der Kristallstruktur des Materials auf, die die positiven und negativen Ladungen voneinander trennen.

Entkoppelte freie Elektronen

Nachdem das Metall LiOsO3 im Jahr 2013 entdeckt wurde, entwickelten die Forscher neue Theorien, um genauer zu erklären, wie dies funktionieren könnte. Sie prognostizierten, dass die frei wandernden Elektronen im Metall von ihren verzerrten Atomen entkoppelt werden müssten. Andernfalls würden sich die Elektronen so anordnen, dass keine elektrischen Felder entstünden und keine Verzerrungen aufträten. Oder anders ausgedrückt: Die Elektronen dürfen sich der atomaren Verzerrungen in ihrer Nähe gewissermaßen »nicht bewusst« sein.

In ihrem Beitrag zeigen Laurita, Hsieh und ihre Kollegen, dass dies bei einer Methode namens ultraschneller Laserspektroskopie der Fall ist. Dabei regt ein erster hochenergetischer Laserimpuls Proben an und ein zweiter, schwacher Laserpuls verfolgt, wie die Elektronen in der Probe ihre Energie als Funktion der Zeit abgeben.

»Wir konnten zeigen, dass die Elektronen in LiOsO3 ihre Energie in Form von Schwingungen nur in bestimmte Richtungen abgeben, nicht aber in die für die Polarisation erforderliche Richtung. Dies zeigte, dass die Elektronen von den Schwingungen, die die Ferroelektrizität verursachen, entkoppelt waren«, berichtet Laurita. »Es ist, als hätte man einen Kieselstein in einen Teich geworfen, die Wellen breiten sich jedoch nicht im Kreis nach außen aus, sondern nur in bestimmte Richtungen. Das zeigt, wie ferroelektrische Eigenschaften in Metallen auftreten können.«

»Es ist faszinierend, dass der vor Jahrzehnten entwickelte Anderson-Blount-Mechanismus in diesem ungewöhnlichen Material auch wirklich zum Tragen kommt«, so Hsieh.

Originalpublikation

N. J. Laurita, et al., Evidence for the weakly coupled electron mechanism in an Anderson-Blount polar metal, Nature Communications vol. 10, DOI: 10.1038/s41467-019-11172-2