Ga naar hoofdinhoud

Magneetveld bevrijdt gevangen ladingsdragers

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 voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (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’.

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.


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 (afbeelding: FOM)

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. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 11 september online in Nature Physics.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven