Huruvida vatten fryser till is, järn avmagnetiseras eller ett material blir supraledande – för fysiker finns det alltid en fasövergång bakom det. De strävar efter att förstå dessa olika fenomen genom att söka efter universella egenskaper. Forskare vid Goethe University Frankfurt och Technische Universität Dresden har nu gjort en banbrytande upptäckt under sin studie av en fasövergång från en elektrisk ledare till en isolator (Mott metal-sulator transition).

Enligt Sir Nevill Francis Motts förutsägelse 1937, ömsesidig avstötning av laddade elektroner, som är ansvariga för att leda elektrisk ström, kan orsaka en metallisolatorövergång. Än, i motsats till den vanliga läroboksuppfattningen, enligt vilken fasövergången bestäms enbart av elektronerna, det är elektronernas växelverkan med det fasta atomnätverket som är den avgörande faktorn. Forskarna har rapporterat detta i det senaste numret av Vetenskapens framsteg tidning.

Forskargruppen, ledd av professor Michael Lang från Physics Institute vid Goethe University Frankfurt, lyckats göra upptäckten med hjälp av en hemmagjord apparat som är unik över hela världen. Den tillåter mätning av längdförändringar vid låga temperaturer under variabelt yttre tryck med extremt hög upplösning. På det här sättet, det var möjligt att för första gången experimentellt bevisa att det inte bara är elektronerna som spelar en betydande roll i fasövergången utan också atomgittret – det fasta ställningen.

"Dessa experimentella resultat kommer att förebåda ett paradigmskifte i vår förståelse av ett av nyckelfenomenen inom nuvarande forskning om kondenserad materia, " säger professor Lang. Mott-metallisolatorövergången är nämligen kopplad till ovanliga fenomen, såsom högtemperatursupraledning i kopparoxidbaserade material. Dessa erbjuder en enorm potential för framtida tekniska tillämpningar.

Den teoretiska analysen av de experimentella fynden bygger på den grundläggande föreställningen att de många partiklarna i ett system nära en fasövergång inte bara interagerar med sina närmaste grannar utan också "kommunicerar" över långa avstånd med alla andra partiklar. Som en konsekvens, endast övergripande aspekter är viktiga, såsom systemets symmetri. Identifieringen av sådana universella egenskaper är således nyckeln till att förstå fasövergångar.

"Dessa nya insikter öppnar upp ett helt nytt perspektiv på Mott-metallisolatorövergången och tillåter mer sofistikerad teoretisk modellering av fasövergången, " förklarar Dr Markus Garst, Universitetslektor vid Institutet för teoretisk fysik vid Technische Universität Dresden.