Ny kvantekontakt gør metaller til isolatorer

De fleste moderne elektroniske enheder er afhængige af små, finjusterede elektriske strømme til behandling og lagring af oplysninger. Disse strømme dikterer, hvor hurtigt vores computere kører, hvor regelmæssigt vores pacemakere tikker, og hvor sikkert vores penge opbevares i banken.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , forskere ved University of British Columbia har demonstreret en helt ny måde at præcist styre sådanne elektriske strømme ved at udnytte interaktionen mellem en elektrons spin (som er det kvantemagnetiske felt, den i sagens natur bærer) og dens orbitalrotation rundt om kernen.

"Vi har fundet en ny måde at skifte den elektriske ledning i materialer fra til og fra, "sagde hovedforfatter Berend Zwartsenberg, en ph.d. studerende ved UBC's Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI). "Dette spændende resultat udvider ikke kun vores forståelse af, hvordan elektrisk ledning fungerer, det vil hjælpe os med at udforske kendte egenskaber som ledningsevne, magnetisme og superledning, og opdage nye, der kan være vigtige for kvanteberegning, datalagring og energiapplikationer. "

Vende kontakten på metalisolatorovergange

Bredt, alle materialer kan kategoriseres som metaller eller isolatorer, afhængig af elektroners evne til at bevæge sig gennem materialet og lede elektricitet.

Imidlertid, ikke alle isolatorer er skabt ens. I enkle materialer, forskellen mellem metallisk og isolerende adfærd stammer fra antallet af elektroner til stede:et ulige tal for metaller, og et lige antal for isolatorer. I mere komplekse materialer, som såkaldte Mott-isolatorer, elektronerne interagerer med hinanden på forskellige måder, med en delikat balance, der bestemmer deres elektriske ledning.

I en Mott -isolator, elektrostatisk frastødning forhindrer elektronerne i at komme for tæt på hinanden, som skaber en trafikprop og begrænser den frie strøm af elektroner. Indtil nu, der var to kendte måder at frigøre trafikprop:ved at reducere styrken af ​​den frastødende interaktion mellem elektroner, eller ved at ændre antallet af elektroner.

SBQMI-teamet undersøgte en tredje mulighed:var der en måde at ændre materialets meget kvante karakter for at muliggøre en metalisolatorovergang?

Ved hjælp af en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, teamet undersøgte Mott -isolatoren Sr2IrO4, overvågning af antallet af elektroner, deres elektrostatiske frastødning, og endelig samspillet mellem elektronspinnet og dets orbitalrotation.

"Vi fandt ud af, at koblingen af ​​spinet til det orbitale vinkelmoment bremser elektronerne i en sådan grad, at de bliver følsomme over for hinandens tilstedeværelse, at størkne trafikproppen. "sagde Zwartsenberg." At reducere spin-orbit-koblingen letter igen trafikproppen, og vi kunne demonstrere en overgang fra en isolator til et metal for første gang ved hjælp af denne strategi. "

"Dette er et virkelig spændende resultat på det grundlæggende fysiske niveau, og udvider potentialet i moderne elektronik, "sagde medforfatter Andrea Damascelli, hovedforsker og videnskabelig direktør for SBQMI. "Hvis vi kan udvikle en mikroskopisk forståelse af disse faser af kvantemateriale og deres nye elektroniske fænomener, vi kan udnytte dem ved at konstruere kvantematerialer atom-for-atom til ny elektronisk, magnetiske og sansende applikationer. "