Magnetisme driver metaller til isolatorer i nyt eksperiment

Som alle metaller, sølv, kobber, og guld er ledere. Elektroner strømmer hen over dem, transporterer varme og elektricitet. Selvom guld er en god leder under alle forhold, nogle materialer har den egenskab, at de kun opfører sig som metalledere, hvis temperaturen er høj nok; ved lave temperaturer, de fungerer som isolatorer og gør ikke et godt stykke arbejde med at transportere elektricitet. Med andre ord, disse usædvanlige materialer går fra at virke som en guldklump til at fungere som et stykke træ, når temperaturen sænkes. Fysikere har udviklet teorier til at forklare denne såkaldte metal-isolator overgang, men mekanismerne bag overgangene er ikke altid klare.

"I nogle tilfælde, det er ikke let at forudsige, om et materiale er et metal eller en isolator, " forklarer Caltech-besøgende associeret Yejun Feng fra Okinawa Institute for Science and Technology Graduate University. "Metaller er altid gode ledere, uanset hvad, men nogle andre såkaldte tilsyneladende metaller er isolatorer af årsager, der ikke er godt forstået." Feng har undret sig over dette spørgsmål i mindst fem år; andre på hans hold, som samarbejdspartner David Mandrus ved University of Tennessee, har tænkt over problemet i mere end to årtier.

Nu, en ny undersøgelse fra Feng og kolleger, udgivet i Naturkommunikation , tilbyder det reneste eksperimentelle bevis til dato for en metal-isolator-overgangsteori foreslået for 70 år siden af ​​fysikeren John Slater. Ifølge den teori, magnetisme, hvilket resulterer, når de såkaldte "spin" af elektroner i et materiale er organiseret på en ordnet måde, kan udelukkende drive metal-isolator overgangen; i andre tidligere eksperimenter, ændringer i gitterstrukturen af ​​et materiale eller elektroninteraktioner baseret på deres ladninger er blevet anset for at være ansvarlige.

"Dette er et problem, der går tilbage til en teori introduceret i 1951, men indtil nu har det været meget svært at finde et eksperimentelt system, der faktisk demonstrerer spin-spin-interaktionerne som drivkraften på grund af forvirrende faktorer, " forklarer medforfatter Thomas Rosenbaum, en professor i fysik ved Caltech, som også er instituttets præsident og Sonja og William Davidows præsidentkandidat.

"Slater foreslog, at når temperaturen sænkes, en ordnet magnetisk tilstand ville forhindre elektroner i at strømme gennem materialet, " forklarer Rosenbaum. "Selvom hans idé er teoretisk forsvarlig, det viser sig, at for langt de fleste materialer, den måde, hvorpå elektroner interagerer med hinanden elektronisk, har en meget stærkere effekt end de magnetiske interaktioner, hvilket gjorde opgaven med at bevise Slater-mekanismen udfordrende."

Forskningen vil hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om, hvordan forskellige materialer opfører sig, og kan også have applikationer inden for teknologi, for eksempel inden for spintronics, hvor elektronernes spins ville danne grundlag for elektriske enheder i stedet for elektronladninger, som det er rutine nu. "Grundlæggende spørgsmål om metal og isolatorer vil være relevante i den kommende teknologiske revolution, " siger Feng.

Interagerende naboer

Typisk, når noget er en god dirigent, såsom et metal, elektronerne kan lyne stort set uhindret rundt. Omvendt med isolatorer, elektronerne sætter sig fast og kan ikke bevæge sig frit. Situationen kan sammenlignes med samfund af mennesker, forklarer Feng. Hvis du tænker på materialer som fællesskaber og elektroner som medlemmer af husholdningerne, så er "isolatorer fællesskaber med mennesker, der ikke vil have deres naboer til at besøge, fordi det får dem til at føle sig utilpas." Ledende metaller, imidlertid, repræsentere "tætte fællesskaber, som på et kollegium, hvor naboer besøger hinanden frit og hyppigt, " han siger.

Ligeledes, Feng bruger denne metafor til at forklare, hvad der sker, når nogle metaller bliver til isolatorer, når temperaturen falder. "Det er ligesom vintertid, i, at folk - eller elektronerne - bliver hjemme og ikke går ud og interagerer."

I 1940'erne, fysiker Sir Nevill Francis Mott fandt ud af, hvordan nogle metaller kan blive isolatorer. Hans teori, som modtog Nobelprisen i fysik i 1977, beskrevet, hvordan "visse metaller kan blive isolatorer, når den elektroniske tæthed falder ved at adskille atomerne fra hinanden på en bekvem måde, " ifølge Nobelprisens pressemeddelelse. I dette tilfælde, frastødningen mellem elektronerne ligger bag overgangen.

I 1951, Slater foreslog en alternativ mekanisme baseret på spin-spin interaktioner, men denne idé har været svær at bevise eksperimentelt, fordi de andre processer i metal-isolator-overgangen, herunder dem foreslået af Mott, kan oversvømme Slater-mekanismen, gør det svært at isolere.

Udfordringer ved rigtige materialer

I den nye undersøgelse, forskerne var endelig i stand til eksperimentelt at demonstrere Slater-mekanismen ved hjælp af en forbindelse, der er blevet undersøgt siden 1974, kaldet pyrochloroxid eller Cd2Os2O7. Denne forbindelse er ikke påvirket af andre metal-isolator overgangsmekanismer. Imidlertid, inden for dette materiale, Slater-mekanismen er overskygget af en uforudset eksperimentel udfordring, nemlig tilstedeværelsen af ​​"domænevægge", der opdeler materialet i sektioner.

"Domænevæggene er som motorveje eller større veje mellem samfund, " siger Feng. I pyrochloroxid, domænevæggene er ledende, selvom hovedparten af ​​materialet er isolerende. Selvom domænevæggene startede som en eksperimentel udfordring, de viste sig at være afgørende for holdets udvikling af en ny måleprocedure og -teknik til at bevise Slater-mekanismen.

"Tidligere bestræbelser på at bevise Slater metal-isolator overgangsteorien tog ikke højde for det faktum, at domænevæggene maskerede de magnetisme-drevne effekter, " siger Yishu Wang (Ph.D. '18), en medforfatter ved Johns Hopkins University, som kontinuerligt har arbejdet på denne undersøgelse siden hendes kandidatarbejde ved Caltech. "Ved at isolere domænevæggene fra hovedparten af ​​isoleringsmaterialerne, vi var i stand til at udvikle en mere fuldstændig forståelse af Slater-mekanismen." Wang havde tidligere arbejdet med Patrick Lee, en gæsteprofessor ved Caltech fra MIT, at skabe den grundlæggende forståelse af ledende domænevægge ved hjælp af symmetriargumenter, som beskriver hvordan og om elektroner i materialer reagerer på ændringer i retningen af ​​et magnetfelt.

"Ved at udfordre de konventionelle antagelser om, hvordan elektrisk ledningsevnemålinger foretages i magnetiske materialer gennem grundlæggende symmetriargumenter, vi har udviklet nye værktøjer til at sondere spintroniske enheder, hvoraf mange afhænger af transport på tværs af domænevægge, siger Rosenbaum.

"Vi udviklede en metode til at adskille domænevægs indflydelse, og først da kunne Slater-mekanismen afsløres, " siger Feng. "Det er lidt ligesom at opdage en diamant i det uslebne."