Mott isolator udviser en skarp reaktion på elektroninjektion

I et fund, der vil give teoretikere masser at overveje, et all-RIKEN-hold har observeret en uventet reaktion i et eksotisk materiale kendt som en Mott-isolator, da de sprøjtede elektroner ind i det. Denne observation lover at give fysikere ny indsigt i sådanne materialer, som er tæt beslægtet med højtemperatursuperledere.

Hverken en luns silicium eller en Mott-isolator leder elektricitet - men af ​​meget forskellige årsager. I silicium, elektroner er tæt bundet til atomer og kræver meget energi for at blive mobile ledningselektroner. I modsætning, i en Mott isolator, elektroner er muligvis ikke stærkt bundet til atomerne, men deres bevægelse er i stedet bremset af deres gensidige frastødelse.

Mott-statens opståen fra interaktioner mellem elektroner fører til usædvanlige egenskaber. "Et lille overskud eller underskud af elektroner i en Mott-isolator kan føre til superledning ved høje temperaturer, som kan være af enorm praktisk værdi i fremtiden, " siger Christopher Butler fra RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "I Mott-isolerende tantaldisulfid, elektroner er ikke lokaliseret ved hvert atom, men i stedet på toppene af en allerede eksisterende "ladningstæthedsbølge." Fordi ladningstæthedsbølgen er ret delikat, Mott-staten kan nemt justeres."

Men for at udnytte potentialet i denne Mott-isolerende tilstand og ladningstæthedsbølgen, der er vært for den, videnskabsmænd skal bedre forstå den fysik, der forbinder dem.

Nu, Butler og tre kolleger, alt hos CEMS, har tilføjet overskydende elektroner til en Mott-isolator ved hjælp af spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop (fig. 1) og observeret en overraskende respons - tunnelspektre viste et skarpt træk, en distinkt tilstand, der udløser vibrationer i iongitteret.

Den konventionelle teoretiske model for Mott-isolatorer forudsiger, at spektret skal være glat og ikke-deskriptivt. "Det var meget overraskende, at vi så så skarpe træk i vores tunnelspektroskopimålinger, " siger Butler. "De kan indikere, at der foregår noget, der er uden for grænserne af den sædvanlige teori."

Butler bemærker, at nogle teoretiske beregninger forudsiger skarpe træk, der ligner dem, hans team så, men de involverer partikellignende enheder kendt som kvasipartikler, som er kontroversielle, da de ikke menes at eksistere i ægte Mott-isolatorer. "Der er konkurrerende forklaringer på observationen, som er mindre kontroversielle, " siger Butler. "Men hvis det til sidst viser sig, at de beregningsresultater, der indikerer eksistensen af ​​kvasipartikler, er rigtige, det kan måske ryste den teoretiske forståelse af Mott-isolatorer."