Tantaldisulfid är ett mystiskt material. Enligt läroboksteorin, det ska vara en ledande metall, men i den verkliga världen, den fungerar som en isolator. Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop, forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science har tagit en högupplöst titt på materialets struktur, avslöjar varför det visar detta ointuitiva beteende.

Det har länge varit känt att kristallina material bör vara bra ledare när de har ett udda antal elektroner i varje repeterande cell i strukturen, men kan vara dåliga ledare när antalet är jämnt. Dock, ibland fungerar inte denna formel, med ett fall som "Mottness, " en egenskap baserad på Sir Nevill Motts arbete. Enligt den teorin, när det finns stark repulsion mellan elektroner i strukturen, det leder till att elektronerna blir "lokaliserade" - förlamade, med andra ord — och oförmögen att röra sig fritt för att skapa en elektrisk ström. Det som gör situationen komplicerad är att det också finns situationer där elektroner i olika lager av en 3D-struktur kan interagera, parning för att skapa en tvåskiktsstruktur med ett jämnt antal elektroner. Det har tidigare föreslagits att denna "parning" av elektroner skulle återställa lärobokens förståelse för isolatorn, vilket gör det onödigt att åberopa "Mottness" som en förklaring.

För den aktuella studien, publiceras i Naturkommunikation , forskargruppen bestämde sig för att titta på tantaldisulfid, ett material med 13 elektroner i varje repeterande struktur, som därför borde göra det till en konduktör. Dock, det är det inte, och det har varit kontroverser om huruvida denna egenskap orsakas av dess "Mottness" eller av en parstruktur.

För att utföra forskningen, forskarna skapade kristaller av tantaldisulfid och klyvde sedan kristallerna i ett vakuum för att avslöja ultrarena ytor, som de sedan undersökte vid en temperatur nära absolut noll med en metod som kallas scanning tunneling microscopy, involverar en liten och extremt känslig metallspets som kan känna av var elektroner finns i ett material och deras grad av ledningsbeteende via kvanttunneleffekten. Deras resultat visade att det fanns, verkligen, en stapling av lager som effektivt ordnade dem i par. Ibland, kristallerna klyvdes mellan paren av lager, och ibland genom ett par, bryta den. De utförde spektroskopi på både de parade och oparade lagren och fann att även de oparade är isolerande, lämnar Mottness som den enda förklaringen.

Enligt Christopher Butler, studiens första författare, "Den exakta karaktären av det isolerande tillståndet och fasövergångarna i tantaldisulfid har varit långvariga mysterier, och det var väldigt spännande att upptäcka att Mottness är en nyckelspelare, bortsett från ihopparningen av lagren. Detta beror på att teoretiker misstänker att ett Mott-tillstånd kan sätta scenen för en intressant fas av materia känd som en kvantspinnvätska."

Tetsuo Hanaguri, som ledde forskargruppen, sa, "Frågan om vad som får detta material att röra sig mellan isoleringsfaser och ledande faser har länge varit ett pussel för fysiker, och jag är mycket nöjd med att vi har kunnat lägga en ny pusselbit. Framtida arbete kan hjälpa oss att hitta nya intressanta och användbara fenomen som dyker upp från Mottness, som högtemperatur supraledning. "