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.
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.
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.
Bron:
FOM
Wetenschappelijke publicatie:
F. Massee, et al: Bilayer manganites reveal polarons in the midst of a metallic breakdown
