Forskere finder uventede vejspærringer for ledningsevne i Mott-isolatorer

I det kondenserede stofs fysik er det få fænomener, der fanger fysikeres nysgerrighed så meget som Mott-isolatorer. Ifølge traditionel teori skulle denne mærkelige klasse af materialer være i stand til at lede elektricitet, men alligevel opfører de sig mest som isolatorer.

Hvad der er endnu mere bizart er, at når elektroner tilføjes, kan materialet faktisk blive en superleder, der leder en elektrisk strøm med nul modstand. Det kan dog også forblive en isolator, uanset hvor mange elektroner der tilføres. De ekstreme modsatte reaktioner har undret videnskabsmænd i årtier, men nogle af disse mysterier er måske ved at være slut.

Forskere fra Brown University, der arbejder med et internationalt hold af forskere, har udviklet en ny teori, som de verificerede gennem en række laboratorieeksperimenter, for for første gang grundlæggende at forklare, hvorfor en type Mott-isolator stædigt modstår at lede elektricitet, selv når elektroner er tilføjet.

"Det er første gang, at vi som fysikere mikroskopisk forstår, hvorfor den specifikke type Mott-isolator, som vi kiggede på, aldrig er blevet forvandlet til en leder," siger formanden for Browns fysikafdeling og professor Vesna Mitrović, der leder en magnetisk resonansgruppe for kondenseret stof ved universitetet og er medforfatter på det nye studie.

"Værket giver et virkeligt grundlæggende billede af, hvorfor det måske aldrig fungerer som dirigent. Det vigtigste er, at materialet er nyttigt til andre elektroniske applikationer, men ikke til at blive til en dirigent."

Arbejdet er beskrevet i Nature Communications og blev udført i samarbejde med forskere fra University of Bologna, University of Vienna, University of Parma, Institute Polytechnique de Paris, Collège de France og Ohio State University.

Arbejdet startede som et ikke-relateret fysikeksperiment med kondenseret stof mellem forskere fra Brown og University of Bologna.

Undersøgelsen fokuserede på en type Mott-isolator kaldet Ba₂ Na₁ –OsO₆ . Materialet er, hvad der er kendt som en relativistisk Mott-isolator, fordi det udviser stærk spin-kredsløbskobling, en tilstand, hvor elektroner både interagerer stærkt med hinanden, og deres spin er stærkt viklet ind i den måde, de bevæger sig i deres individuelle baner.

I bund og grund får dette materialet til at afvige fra mere almindelige fysikforudsigelser, hvilket kan skabe en speciel elektronisk adfærd. På grund af dette har materialet, og mere generelt hele klassen af ​​relativistiske Mott-isolatorer, høstet betydelig opmærksomhed og investeringer fra det videnskabelige samfund for at forstå og kontrollere dets egenskaber.

Forskere mener, at materialet, ligesom andre i sin klasse, kan flyttes ind og ud af Mott-isoleringstilstanden ved at tilføje ladning med elektroner. Den nye undersøgelse forklarer, hvordan tidligere usete partikler i denne Mott-isolator interagerer på kvanteniveau for at forhindre, at den bliver til en leder, selv når der tilføjes mange ekstra elektroner.

"Denne nye forståelse kan spare forskerne for en masse tid, investeringer og kræfter fra at prøve forskellige metoder," sagde Mitrović.

Forskerne fandt ud af, at nøglen er en uventet samling af partikler kaldet bipolaroner, der dannes, når elektronisk ladning føjes til materialet. Normalt spredes elektronerne jævnt ud i et metal, men her sætter nogle af de ladede elektroner sig fast i bestemte pletter af materialet, når de tilsættes.

Disse fangede elektroner er det, der kommer sammen med materialets gitterstruktur for at blive bipolaroner. Bipolaronerne fungerer derefter som vejspærringer for elektronerne, hvilket gør det svært for dem at bevæge sig rundt og lede elektricitet.

Selv når de forsøger at overvinde denne vejspærring ved at tilføje endnu flere elektroner, sørger bipolaronerne for, at elektronerne bliver ved med at sidde fast og ikke er i stand til at bevæge sig frit. I sidste ende er det det, der holder materialet en isolator.

Denne uventede adfærd undrede forskerne, fordi den strider imod den sædvanlige forståelse af, hvordan materialer reagerer på ændringer i deres elektroniske struktur. Det er grunden til, at resultaterne fra undersøgelsen overraskede forskerne, og beregningerne for teorien tog fire år at sammensætte, da interaktionerne ikke var blevet undersøgt før.

"Ifølge vores forståelse af den nuværende fysik burde dette ikke ske," sagde Mitrović.

Forskerne håber nu at sætte deres nye teori og eksperimenter på prøve og se, hvor udbredte bipolaroner er i relativistiske Mott-isolatorer.

"Det vil være interessant at se, om der er nogen omstændigheder, der gør, at du kan forvandle en relativistisk Mott-isolator til en dirigent, eller er dette virkelig universelt," sagde Mitrović.

Flere oplysninger: Lorenzo Celliberti et al., Spin-orbital Jahn-Teller bipolarons, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46621-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Brown University