Spændende spor om, hvorfor et mystisk materiale skifter fra leder til isolator

Tantaldisulfid er et mystisk materiale. Ifølge lærebogsteori, det skal være et ledende metal, men i den virkelige verden, det fungerer som en isolator. Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop, forskere fra RIKEN Center for Emergent Matter Science har taget et højopløseligt kig på materialets struktur, afsløre, hvorfor det viser denne uintuitive adfærd.

Det har længe været kendt, at krystallinske materialer skal være gode ledere, når de har et ulige antal elektroner i hver gentagne celle i strukturen, men kan være dårlige ledere, når tallet er lige. Imidlertid, nogle gange virker denne formel ikke, med et tilfælde "Mottness, "en ejendom baseret på Sir Nevill Motts arbejde. Ifølge denne teori, når der er stærk frastødning mellem elektroner i strukturen, det får elektronerne til at blive "lokaliserede" - lammet, med andre ord - og ude af stand til at bevæge sig frit rundt for at skabe en elektrisk strøm. Det, der gør situationen kompliceret, er, at der også er situationer, hvor elektroner i forskellige lag af en 3-D struktur kan interagere, parring for at skabe en dobbeltlagsstruktur med et lige antal elektroner. Det er tidligere blevet foreslået, at denne "parring" af elektroner ville genoprette lærebogens forståelse af isolatoren, gør det unødvendigt at påberåbe sig "Mottness" som forklaring.

For den aktuelle undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , forskergruppen besluttede at se på tantaldisulfid, et materiale med 13 elektroner i hver gentagende struktur, som derfor burde gøre den til en dirigent. Imidlertid, det er ikke, og der har været uenighed om, hvorvidt denne egenskab er forårsaget af dens "Mottness" eller af en parringsstruktur.

For at udføre forskningen, forskerne skabte krystaller af tantaldisulfid og spaltede derefter krystallerne i et vakuum for at afsløre ultra-rene overflader, som de derefter undersøgte ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt med en metode kendt som scanning tunneling mikroskopi, involverer en lillebitte og ekstremt følsom metalspids, der kan fornemme, hvor elektroner er i et materiale, og deres grad af ledende adfærd via kvantetunneleffekten. Deres resultater viste, at der var, Ja, en stabling af lag, der effektivt arrangerede dem i par. Sommetider, krystallerne spaltede mellem lagparrene, og nogle gange gennem et par, bryde den. De udførte spektroskopi på både de parrede og uparrede lag og fandt ud af, at selv de uparrede er isolerende, efterlader Mottness som den eneste forklaring.

Ifølge Christopher Butler, undersøgelsens første forfatter, "Den nøjagtige karakter af den isolerende tilstand og faseovergangene i tantaldisulfid har været langvarige mysterier, og det var meget spændende at opdage, at Mottness er en nøglespiller, bortset fra parringen af ​​lagene. Dette skyldes, at teoretikere har mistanke om, at en Mott-tilstand kunne sætte scenen for en interessant fase af stof kendt som en kvantespinvæske."

Tetsuo Hanaguri, der ledede forskerholdet, sagde, "Spørgsmålet om, hvad der får dette materiale til at bevæge sig mellem isolering og ledende faser, har længe været et puslespil for fysikere, og jeg er meget tilfreds med, at vi har kunnet lægge en ny brik i puslespillet. Fremtidigt arbejde kan hjælpe os med at finde nye interessante og nyttige fænomener, der dukker op fra Mottness, såsom superledning ved høj temperatur."