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Schlüssel zur Kontrolle von Phasenübergängen?

16. April 2018

Sogenannte Phasenübergänge kennen wir aus dem Alltag: Das Schmelzen von Kerzenwachs oder das Verdampfen von kochendem Wasser gehören dazu. Viele Phasenübergänge kommen jedoch nur bei extremen Bedingungen vor und können nicht mit bloßem Auge beobachtet werden. Einen solchen Phasenübergang haben Wissenschaftler um Dr. Carolin Schmitz-Antoniak vom Forschungszentrum Jülich nun untersucht und dabei Überraschendes über seine Entstehung herausgefunden. Die Erkenntnisse könnten einen Schlüssel zur Kontrolle bestimmter Phasenübergänge liefern. Die renommierte Fachzeitschrift „Annalen der Physik“ hat die Arbeit als Titelthema der Märzausgabe 2018 ausgewählt.

Annalen-der-PhysikIm Vordergrund des Titelbildes ist einer der untersuchten Magnetit-Nanopartikel abgebildet. Das bläuliche Licht in Hintergrund gibt einen Hinweis auf die Methode, mit der die elektronische Struktur und Magneteigenschaften untersucht wurden: Spektroskopie mittels Synchrotronstrahlung.
Copyright: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, from: Ann. Phys. (Berlin) 2018, 530, 1700363

Als Untersuchungsobjekte dienten den Forschern Nanopartikel aus Magnetit. Das eisenhaltige Material steht derzeit im Hinblick auf mögliche Anwendungen im Fokus zahlreicher Forschungsprojekte. „Magnetit ist auch ein hervorragendes Modellsystem um Phasenübergänge zu untersuchen“, erläutert Schmitz-Antoniak, die am Jülicher Peter Grünberg Institut forscht. Denn beim Erwärmen über rund -150°C wandelt sich Magnetit normalerweise von einem Isolator zu einem elektrisch leitenden Halbmetall. Gleichzeitig ändern sich die atomare Kristallstruktur und die magnetischen Eigenschaften.

Durch eine Beschichtung der Magnetit-Kügelchen mit Silizium konnten die Forscher diese Vorgänge nun jedoch voneinander entkoppeln und die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel beeinflussen, ohne ihre atomare Kristallstruktur messbar zu verändern. Dass Silizium die elektronischen Eigenschaften ändern kann, war bereits bekannt. Das Ausmaß überraschte die Forscher dennoch: Der Phasenübergang bei -150°C lässt sich auf diese Weise komplett unterdrücken. Entscheidend dafür ist die große Oberfläche der Partikel: 20 Prozent ihrer Atome liegen an der Oberfläche und haben direktem Kontakt mit der Beschichtung. „Die Ergebnisse zeigen die enorme Bedeutung der elektronischen Struktur für die Steuerung von Phasenübergängen“, betont Schmitz-Antoniak.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher die Synchrotronstrahlenquelle BESSY II in Berlin. Das besonders brillante Synchrotronlicht ist optimal für die Untersuchung von elektronischen und magnetischen Eigenschaften im Inneren von Metallpartikeln geeignet.

Originalpublikation:

Suppression of the Verwey Transition by Charge Trapping;
Carolin Schmitz-Antoniak, Detlef Schmitz, Anne Warland, Masih Darbandi, Soumyajyoti Haldar, Sumanta Bhandary, Biplab Sanyal, Olle Eriksson, Heiko Wende;

Ann. Phys. (Berlin) 2018, 530, 1700363;
DOI: 10.1002/andp.201700363



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