Fluktuationsspektroskopie des Mott-Metall-Isolator-Übergangs unter dem Einfluss von Druck, Unordnung und des Feldeffekts
Authors:   , Thyzel Tim 
Published: November 2024

Die Fluktuationen des elektrischen Widerstands am kritischen Punkt des Mott-Metall-Isolatorübergangs wurden im organischen Ladungstransfersalz κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Cl (kurz κ-Cl) unter dem Einfluss von hydrostatischem Druck, von Unordnung und des Feldeffekts untersucht. Dieses Material dient als Modellsystem für den Mott-Übergang im zweidimensionalen Vielelektronensystem, der unter einem geringen hydrostatischen Gasdruck von 300 bar stattfindet. Dieser Phasenübergang ist im Hinblick auf die Frage relevant, inwieweit er selbst und sein kritischer Endpunkt in Analogie zum flüssig-gasförmig-Übergang zu sehen sind. Frühere Messungen der kritischen Exponenten des Leitwerts sowie die Beobachtung einer Verlangsamung der Ladungsträgerdynamik schienen dies nahezulegen, allerdings wird aufgrund der starken Elektron-Gitter-Wechselwirkung und einer mean-field-artigen kritischen Elastizität keine Divergenz der Korrelationslängen und -zeitskalen erwartet. Im Rahmen dieser Fragestellung wurden in dieser Arbeit Messungen des Widerstandsrauschens am Mott-Übergang durchgeführt, welche die 1/f-artigen, langsamen Fluktuationen auflösen und so Informationen über die mikroskopischen Transportprozesse liefern. Die dafür nötige hochauflösende Impedanzmesstechnik mit zeitaufgelöster digitaler Signalverarbeitung wurde weitgehend automatisiert und auf das Signal-Rauschverhältnis hin optimiert. Eine Apparatur zur Erzeugung hydrostatischen Gasdrucks im Helium-Kryostat wurde aufgebaut und bezüglich der Druckstabilität, Manometrie und Thermometrie verbessert. Dadurch war es möglich, einen starken Anstieg der Rauschleistung um zwei Größenordnungen am Isolator-Metall-Übergang aufzulösen, jedoch traten keine Anzeichen einer kritischen Verlangsamung am Temperatur-Druck-Endpunkt auf. Dieser Effekt ist konsistent mit einer Mean-Field-Beschreibung, jedoch lässt er sich nicht durch konventionelle Theorien des 1/f-Rauschens wie dem Hooge-Gesetz erklären und wirft deshalb die Frage auf, welche elektronischen Zustände und welche Streuprozesse für langsame Fluktuationen am Mott-Übergang maßgeblich sind. Des Weiteren spiegelt das Rauschverhalten in dem quasi-zweidimensionalen Schichtsystem dessen extreme kristalline Anisotropie wieder. Der starke Anstieg der Rauschleistung konnte für drei gleichartige Kristalle beobachtet werden und war robust gegenüber dem gezielten Einbringen von zusätzlicher struktureller Unordnung sowohl durch schnelles Abkühlen als auch durch Röntgenbestrahlung. Wurde der Mott-Übergang durch Manipulation des chemischen Potentials in Feldeffekt-Transistorstrukturen des verwandten Materials κ-Br induziert, konnte eine signifikante Erhöhung der niederfrequenten Rauschleistung ebenfalls beobachtet werden. Auch wird der Effekt nicht durch konventionelle Theorien des Rauschens in Halbleiter-Feldeffekttransistoren beschrieben und ist deshalb konsistent mit dem Verhalten des Mott-Isolators κ-Cl unter hydrostatischem Druck, was auf generell stärkere langsame Fluktuationen der Ladungsträgerdynamik im korrelierten Metall hindeutet. Unterstützt wird diese Interpretation von Messungen an einem Volumenkristall von κ-Cl, dessen Oberfläche mit einer photoaktiv polarisierbaren Beschichtung einem Feldeffekt ausgesetzt wurde, und dessen Widerstandsrauschen ebenfalls beim Eintritt in die Fermi-Flüssigkeitsphase anstieg. Zusammenfassend konnte der Mott-Metall-Isolatorübergang unter hydrostatischem Druck hervorgerufen werden, wobei entgegen früherer Berichte keine kritische Verlangsamung der Ladungsträgerdynamik auftrat, sondern ein Mean-Field-artiges Verhalten mit einer starken Erhöhung der relativen Rauschleistung im korrelierten Metall gegenüber dem Isolator. Konventionelle Theorien des 1/f-Rauschens sowie Probenabhängigkeiten und Unordnungseffekte liefern keine Erklärung dieses Effekts, der in ähnlicher Weise unter Einfluss des Feldeffekts auftrat. Zukünftig könnten Untersuchungen der Rauscheigenschaften im stark korrelierten metallischen Zustand unter höherem hydrostatischen und uniaxialem Druck sowie die Suche nach Korrelationen zwischen Widerstands- und Ladungsträgerdichtefluktuationen zum Verständnis dieser Ergebnisse beitragen.