Stichting FOM
21 september 2011, 2011/40
Magneetveld bevrijdt gevangen ladingsdragers
Onbegrepen weerstandswisseling eindelijk verklaard
Utrecht, 20 september 2011 - Het was tot nu toe een mysterie: bepaalde
materialen veranderen van een isolator in een geleider onder invloed
van een magneetveld. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en
de Stichting FOM hebben een verklaring gevonden voor dit 'kolossale
magneetweerstandseffect'. Ze ontdekten dat de ladingsdragers in
materialen met dit effect geen elektronen, maar polaronen zijn. De
geleiding van deze polaronen is afhankelijk van de materiaalstructuur
en is zeer gevoelig voor een klein extern magneetveld. Deze kennis is
van belang bij de ontwikkeling van nieuwe materialen voor bijvoorbeeld
ABS-sensoren en een nieuw soort elektronica: oxide electronics. De
onderzoekers publiceerden hun resultaten op 11 september online in
Nature Physics.
Figuur 1. Ladingsdragers in mangaanoxideverbindingen
vergroten Figuur 1. Ladingsdragers in mangaanoxideverbindingen
Bij een regelmatige stapeling van geleidende lagen (geel) en isolerende
lagen (groen) kunnen de ladingsdragers door het kristal bewegen
(links). Deze materialen geleiden goed. Als de gele lagen ver uit
elkaar liggen (rechts) vervormen de ladingsdragers het kristalrooster
en zitten ze vast als polaronen. Deze materialen geleiden niet.
Tweelaagsmanganieten (midden) hebben twee gezichten. Bij
kamertemperatuur geleiden ze niet, maar bij een lage temperatuur of als
een magneetveld een handje helpt komt er een stroperige stroom van
hoppende polaronen op gang. Zo ontstaat het kolossale
magneetweerstandseffect.
Kolossaal magneetweerstandseffect
Het kolossale magneetweerstandseffect wordt voornamelijk waargenomen in
mangaanoxideverbindingen. Deze verbindingen zijn uit lagen opgebouwd:
mogelijk geleidende lagen (geel getekend in de afbeelding) en
isolerende tussenlagen (groen). Als de geleidende lagen telkens door
twee (isolerende) tussenlagen worden gescheiden, geleidt het kristal
nooit. Maar wanneer blokken van 3 of meer geleidende (gele) lagen zich
met tussenlagen afwisselen, dan geleidt de stof goed. Bij verbindingen
waar precies twee geleidende lagen op elkaar zitten (de zogenaamde
tweelaagsmanganieten) is er iets bijzonders aan de hand: een kleine
verstoring door het aanleggen van een magneetveld heeft dan een
cruciaal effect op de weerstand.
Polaronen
De onderzoekers zochten uit hoe het omklappen van isolator naar
geleider in deze manganieten precies werkt. Ze ontdekten dat dit te
maken heeft met de ladingsdragers in het materiaal. In de meeste
materialen zorgen elektronen voor geleiding. Hoe makkelijker deze door
een kristalrooster bewegen, hoe beter het materiaal geleidt. In de
tweelaagsmanganieten - de materialen met het grootste
magneetweerstandseffect - blijken de ladingsdragers geen gewone
elektronen zijn, maar polaronen. Dit zijn elektronen die het
kristalrooster vervormen en daardoor zichzelf belemmeren in hun
beweging door het rooster. De beweging van polaronen door een rooster
kan vergeleken worden met het rennen over een zacht matras - het matras
vervormt door je aanwezigheid, waardoor het moeilijker wordt vooruit te
komen.
Zacht of stevig
Het kristalrooster van mangaanoxiden met slechts enkele geleidende
(gele) lagen is zeer 'zacht'. De polaronen komen vast te zitten,
waardoor er geen geleiding is. Naarmate meer geleidende lagen
opeengestapeld zijn, wordt de vervorming van het rooster minder (het
materiaal wordt 'harder'). De ladingsdragers bewegen dan makkelijker en
het materiaal gaat geleiden. De tweelaagsmanganieten zitten daar
precies tussenin. Bij hoge temperaturen en zonder magneetveld zijn ze
'zacht'. Dan zitten de polaronen gevangen. Maar bij een lage
temperatuur of in een magneetveld wordt het netwerk 'steviger' en
bewegen de polaronen beter. Deze overgang van gevangen naar bewegende
polaronen is de verklaring voor het kolossale magneetweerstandseffect.
De onderzoekers werkten samen met collega's van de universiteit van
Oxford en de Duitse synchrotrons Bessy (HZB in Berlijn) en SLS (PSI in
Villingen). Het onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting voor
Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en de Europese Unie.