Isolator-Metall-Übergang in NbO2 auf ultraschnellen Zeitskalen

• Antragsteller: Dr. Marc Herzog
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524986497

Das Übergangsmetalloxid Niobdioxid (NbO2) ist ein naher Verwandter des seit Jahrzehnten intensivst wegen seines Isolator-Metall-Phasenübergangs (IMT) untersuchten Materials Vanadiumdioxid (VO2). Zusammen mit einem strukturellen Phasenübergang koexistiert diese Art von Phasenübergang ebenfalls in NbO2, jedoch bei deutlich erhöhter Phasenübergangstemperatur von T_C=1080 K, was für bestimmte technologische Anwendungen geeigneter ist. Analog zu VO2, wird stark debattiert, welcher physikalische Mechanismus ursächlich für diesen Effekt in NbO2 ist. Um die isolierende Phase zu stabilisieren, sind Elektronenkorrelationen (Mott-Mechanismus) oder die spezifische Kristallstruktur (Peierls-Mechanismus) besonders relevant. Zeitaufgelöste Experimente nach Laserpulsanregung haben sich in der Vergangenheit als hervorragende Mittel etabliert, solche Fragestellungen zu adressieren. Das beantragte Projekt soll mittels verschiedener ultraschneller Techniken Einblicke in die physikalische Natur des IMT in NbO2 geben. Um auf die verschiedenen Subsysteme sensitiv zu sein, unterteilen sich die experimentellen Methoden in zwei Kategorien. Die laserinduzierte Veränderung der elektronischen Bandstruktur beim Übergang vom Isolator zum Metall soll zum ersten Mal überhaupt mittels optischer Pump-Probe-Spektroskopie unter Verwendung von breitbandigen sichtbaren Femtosekunden-Laserpulsen sowie Lichtpulsen im nahen und mittleren infraroten Spektralbereich untersucht werden. Insbesondere letztere sind durch eine Photonenenergie unterhalb der elektronischen Bandlücke der isolierenden NbO2 Phase höchstsensibel auf einen Kollaps der Bandlücke während des ultraschnellen, laserinduzierten Phasenübergangs. Die optischen Spektroskopiemessungen werden durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung komplementär ergänzt. Diese Art von Daten existieren bisher nicht für NbO2. Sie erlauben Einblicke in die dynamischen Vorgänge des strukturellen Phasenübergangs in NbO2, welcher durch sein Auftreten bei exakt derselben Temperatur T_C offenbar stark mit dem IMT gekoppelt ist. Die genaue Untersuchung der strukturellen Komponente des Phasenübergangs erfolgt durch zeitaufgelöste Beobachtung der Kristallsymmetrie, der kristallografischen Einheitszelle und von akustischen und optischen Phononen. Die zeitliche Beobachtung der Ausdehnungsdynamik erlaubt ebenfalls Rückschlüsse auf die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit von NbO2 auf Grund des Phasenübergangs, was die Eignung von NbO2 für funktionalen und schaltbaren Wärmetransport beleuchtet. Darüber hinaus soll die im thermischen Gleichgewicht auftretende negative thermische Ausdehnung (NTE) von NbO2 auf ultraschnellen Zeitskalen (Pikosekunden) untersucht werden. Eine ultraschnelle Kontraktion würde völlig neue Möglichkeiten der Erzeugung von unkonventionellen Hyperschall-Wellenpaketen ermöglichen, welche als elastischer Stimulus in magnetisch geordneten oder nichtlinearen Materialien dienen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen