Ta₂NiSe₅: Das Beste aus drei Welten?

Zhang et al. zeigen, dass der umstrittene Phasenübergang bei 326 K in Ta₂NiSe₅ aus dem Zusammenspiel dreier mikroskopischer Faktoren entsteht

Der exzitonische Isolator ist ein makroskopisches Kondensat aus Elektron-Loch-Paaren, den sogenannten Exzitonen, deren Entstehung in Halbleitern mit kleiner Bandlücke oder in Halbmetallen theoretisch vorhergesagt wurde. Trotz scheinbarer Analogien zu einem Supraleiter, der ein makroskopisches Kondensat aus Elektron-Elektron-Paaren ist, konnte der exzitonische Isolator bislang nicht zweifelsfrei als Grundzustand eines Volumenkristalls nachgewiesen werden. Das quasi-eindimensionale Chalkogenid Ta₂NiSe₅ durchläuft unterhalb von T_c = 326 K einen Übergang in einen isolierenden Zustand und gilt derzeit als ein vielversprechender Kandidat für einen exzitonischen Isolator in einem Volumenkristall. Allerdings hat eine gleichzeitig auftretende Gitterverzerrung bei T_c eine kontroverse Debatte darüber ausgelöst, ob dieser Übergang elektronisch oder strukturell angetrieben ist.

Zhang et al. untersuchen diesen Übergang bei 326 K mittels Hochtemperatur-Wärmetransportmessungen. Diese Methode erfasst nicht nur Ladungsträger, sondern auch neutrale Wärmeträger wie Exzitonen oder Phononen. Sie entdecken eine riesige und anisotrope Anomalie in der Wärmeleitfähigkeit nahe der T_c, die mit der Erweichung eines transversalen Phonons zu tun hat. Indem sie beobachten, wie sich diese Anomalie bei einer Schwefelsubstitution verändert, erläutern die Autoren, wie eine Gitterinstabilität bei 130 K durch die Kopplung mit elektronischen Instabilitäten – darunter sowohl der exzitonischer Isolator als auch eine Ein-Teilchen-Hybridisierungslücke – auf T_c = 326 K angehoben wird. Damit erweist sich Ta₂NiSe₅ als Beispiel für die Zusammenarbeit dieser drei Instabilitäten.

Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der wissenschaftlichen Einrichtung Kristallzüchtung durchgeführt und teilweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert – TRR 360 – 492547816, „Eingeschränkte Quantenmaterie.“