Inom den kondenserade materiens fysik finns det få fenomen som fångar fysikernas nyfikenhet lika mycket som Mott-isolatorer. Enligt traditionell teori borde denna udda klass av material kunna leda elektricitet, men de beter sig mest som isolatorer.
Vad som är ännu mer bisarrt är att när elektroner tillförs kan materialet faktiskt bli en supraledare, som leder en elektrisk ström med noll motstånd. Men det kan också förbli en isolator oavsett hur många elektroner som tillförs. De extremt motsatta reaktionerna har förbryllat forskare i årtionden, men några av dessa mysterier kan vara på väg att få ett slut.
Forskare från Brown University har i samarbete med ett internationellt forskarlag utvecklat en ny teori, som de verifierat genom en serie laboratorieexperiment, för att för första gången i grunden förklara varför en typ av Mott-isolator envist motstår att leda elektricitet även när elektroner tillförs.
”Det är första gången som vi som fysiker förstår mikroskopiskt varför den specifika typ av Mott-isolator som vi tittade på aldrig har förvandlats till en ledare”, säger Vesna Mitrović, professor och ordförande för Browns fysikavdelning, som leder en grupp för magnetisk resonans i kondenserad materia vid universitetet och är medförfattare till den nya studien.
”Arbetet ger en riktigt grundläggande bild av varför det kanske aldrig kommer att fungera som en ledare. Den viktigaste slutsatsen är att materialet är användbart för andra elektroniska tillämpningar, men inte för att förvandlas till en ledare.”
Arbetet beskrivs i Nature Communications och har utförts i samarbete med forskare från University of Bologna, University of Vienna, University of Parma, Institute Polytechnique de Paris, Collège de France och Ohio State University.
Arbetet började som ett orelaterat experiment inom kondenserad materiafysik mellan forskare från Brown och University of Bologna.
Studien fokuserade på en typ av Mott-isolator som kallas Ba2Na1-OsO6. Materialet är vad som kallas en relativistisk Mott-isolator eftersom det uppvisar stark spinn-orbital koppling, ett tillstånd där elektroner både interagerar starkt med varandra och deras spinn är kraftigt sammanflätat med hur de rör sig i sina individuella banor.
I grund och botten gör detta att materialet avviker från mer vanliga fysikaliska förutsägelser, vilket kan skapa ett speciellt elektroniskt beteende. På grund av detta har materialet, och mer generellt hela klassen av relativistiska Mott-isolatorer, fått stor uppmärksamhet och investeringar av forskarvärlden för att förstå och kontrollera dess egenskaper.
Forskarna tror att materialet, liksom andra i sin klass, kan flyttas in och ut ur det Mott-isolerande tillståndet genom att lägga till laddning med elektroner. Den nya studien förklarar hur tidigare osynliga partiklar i denna Mott-isolator interagerar på kvantnivå för att hindra den från att förvandlas till en ledare även när många extra elektroner läggs till.
”Denna nya förståelse kan bespara forskarna mycket tid, investeringar och ansträngningar från att prova olika metoder”, säger Mitrović.
Forskarna fann att nyckeln är en oväntad samling partiklar som kallas bipolaroner och som bildas när elektronisk laddning läggs till i materialet. Vanligtvis sprider sig elektronerna jämnt i en metall, men här fastnar några av de laddade elektronerna på vissa ställen i materialet när de tillsätts.
Det är dessa fångade elektroner som tillsammans med materialets gitterstruktur bildar bipolaroner. Bipolaronerna fungerar sedan som vägspärrar för elektronerna, vilket gör det svårt för dem att röra sig och leda elektricitet.
Även när man försöker övervinna denna vägspärr genom att lägga till ännu fler elektroner, ser bipolaronerna till att elektronerna fortsätter att fastna och inte kan röra sig fritt. I slutändan är det detta som gör att materialet förblir en isolator.
Detta oväntade beteende förbryllade forskarna eftersom det går emot den vanliga förståelsen av hur material reagerar på förändringar i sin elektroniska struktur. Det är därför som resultaten från studien överraskade forskarna och det tog fyra år att sammanställa beräkningarna för teorin, med tanke på att interaktionerna inte hade studerats tidigare.
”Enligt vår förståelse av den nuvarande fysiken borde detta inte hända”, säger Mitrović.
Forskarna hoppas nu kunna sätta sin nya teori och experimentteknik på prov och se hur utbredda bipolaroner är i relativistiska Mott-isolatorer.
”Det ska bli intressant att se om det finns några omständigheter som gör att man kan förvandla en relativistisk Mott-isolator till en ledare eller om detta verkligen är universellt”, säger Mitrović.
Ytterligare information: Lorenzo Celiberti et al, Spin-orbital Jahn-Teller bipolarons, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46621-0
Lämna ett svar