Som alla metaller, silver, koppar, och guld är ledare. Elektroner flyter över dem, bär värme och el. Även om guld är en bra ledare under alla förhållanden, vissa material har egenskapen att bete sig som metallledare endast om temperaturen är tillräckligt hög; vid låga temperaturer, de fungerar som isolatorer och gör inte ett bra jobb med att transportera el. Med andra ord, dessa ovanliga material går från att fungera som en bit guld till att fungera som en träbit när temperaturen sänks. Fysiker har utvecklat teorier för att förklara denna så kallade metallisolatorövergång, men mekanismerna bakom övergångarna är inte alltid tydliga.

"I vissa fall, det är inte lätt att förutsäga om ett material är en metall eller en isolator, "förklarar Caltech gästmedarbetare Yejun Feng vid Okinawa Institute for Science and Technology Graduate University." Metaller är alltid bra ledare oavsett vad, men några andra så kallade skenbara metaller är isolatorer av skäl som inte är väl förstådda. "Feng har undrat över denna fråga i minst fem år; andra i sitt lag, som medarbetaren David Mandrus vid University of Tennessee, har tänkt på problemet i mer än två decennier.

Nu, en ny studie från Feng och kollegor, publicerad i Naturkommunikation , erbjuder det renaste experimentella beviset ännu på en metallisolatorövergångsteori som föreslogs för 70 år sedan av fysikern John Slater. Enligt den teorin, magnetism, vilket resulterar när de så kallade "snurr" av elektroner i ett material organiseras på ett ordnat sätt, kan enbart driva metallisolatorövergången; i andra tidigare experiment, förändringar i gitterstrukturen för ett material eller elektroninteraktioner baserat på deras laddningar har ansetts vara ansvariga.

"Detta är ett problem som går tillbaka till en teori som introducerades 1951, men fram till nu har det varit mycket svårt att hitta ett experimentellt system som faktiskt visar spin-spin-interaktionerna som drivkraft på grund av förvirrande faktorer, "förklarar medförfattaren Thomas Rosenbaum, en professor i fysik vid Caltech som också är institutets president och Sonja och William Davidows presidentordförande.

"Slater föreslog att när temperaturen sänks, ett ordnat magnetiskt tillstånd skulle förhindra att elektroner flödade genom materialet, "Rosenbaum förklarar." Även om hans idé är teoretiskt sund, det visar sig att för de allra flesta material, hur elektroner interagerar med varandra elektroniskt har en mycket starkare effekt än de magnetiska interaktionerna, vilket gjorde uppgiften att bevisa Slater -mekanismen utmanande. "

Forskningen hjälper till att svara på grundläggande frågor om hur olika material beter sig, och kan också ha applikationer inom teknik, till exempel inom spintronics, där elektronernas snurr skulle utgöra grunden för elektriska anordningar istället för elektronladdningarna som är rutin nu. "Grundläggande frågor om metall och isolatorer kommer att vara relevanta i den kommande tekniska revolutionen, säger Feng.

Interagerande grannar

Vanligtvis, när något är en bra ledare, som en metall, elektronerna kan zippa runt i stort sett obehindrat. Omvänt, med isolatorer, elektronerna fastnar och kan inte resa fritt. Situationen är jämförbar med människor, förklarar Feng. Om du tänker på material som samhällen och elektroner som medlemmar i hushållen, då "isolatorer är samhällen med människor som inte vill att deras grannar ska besöka eftersom det får dem att känna sig obekväma." Ledande metaller, dock, representerar "sammansvetsade samhällen, som i en studenthem, där grannar besöker varandra fritt och ofta, " han säger.

Likaså, Feng använder denna metafor för att förklara vad som händer när vissa metaller blir isolatorer när temperaturen sjunker. "Det är som vintertid, genom att människor - eller elektronerna - stannar hemma och inte går ut och interagerar. "

På 1940 -talet, fysikern Sir Nevill Francis Mott kom på hur vissa metaller kan bli isolatorer. Hans teori, som fick Nobelpriset i fysik 1977, beskrev hur "vissa metaller kan bli isolatorer när den elektroniska densiteten minskar genom att separera atomerna från varandra på ett bekvämt sätt, "enligt Nobelprisets pressmeddelande. I det här fallet, avstötningen mellan elektronerna ligger bakom övergången.

År 1951, Slater föreslog en alternativ mekanism baserad på spin-spin-interaktioner, men denna idé har varit svår att bevisa experimentellt eftersom de andra processerna vid metallisolatorövergången, inklusive de som Mott föreslagit, kan översvämma Slater -mekanismen, gör det svårt att isolera.

Utmaningar i riktiga material

I den nya studien, forskarna kunde äntligen experimentellt demonstrera Slater -mekanismen med hjälp av en förening som har studerats sedan 1974, kallad pyrokloroxid eller Cd2Os2O7. Denna förening påverkas inte av andra metallisolatorövergångsmekanismer. Dock, inom detta material, Slater -mekanismen överskuggas av en oförutsedd experimentell utmaning, nämligen förekomsten av "domänväggar" som delar upp materialet i sektioner.

"Domänväggarna är som motorvägar eller större vägar mellan samhällen, "säger Feng. I pyrokloroxid, domänväggarna är ledande, även om huvuddelen av materialet är isolerande. Även om domänväggarna började som en experimentell utmaning, de visade sig vara avgörande för teamets utveckling av ett nytt mätförfarande och en teknik för att bevisa Slater -mekanismen.

"Tidigare försök att bevisa Slater-metallisolatorövergångsteorin redogjorde inte för det faktum att domänväggarna maskerade de magnetismdrivna effekterna, "säger Yishu Wang (doktorand '18), en medförfattare vid Johns Hopkins University som kontinuerligt har arbetat med denna studie sedan hennes doktorandarbete vid Caltech. "Genom att isolera domänväggarna från huvuddelen av isoleringsmaterialen, vi kunde utveckla en mer fullständig förståelse av Slater -mekanismen. "Wang hade tidigare arbetat med Patrick Lee, en gästprofessor vid Caltech från MIT, att lägga den grundläggande förståelsen för konduktiva domänväggar med hjälp av symmetriargument, som beskriver hur och om elektroner i material reagerar på förändringar i magnetfältets riktning.

"Genom att utmana de konventionella antagandena om hur elektriska konduktivitetsmätningar görs i magnetiska material genom grundläggande symmetriargument, vi har utvecklat nya verktyg för att undersöka spintronic -enheter, varav många är beroende av transport över domänväggar, säger Rosenbaum.

"Vi utvecklade en metod för att skilja på domänväggens inflytande, och först då kunde Slater -mekanismen avslöjas, "säger Feng." Det är lite som att upptäcka en diamant i grovet. "