Elektroner finns överallt bland atomer, subatomära energitecken som oberoende kan förändra hur ett system beter sig – men de kan också förändra varandra. Ett internationellt forskningssamarbete fann att kollektiv mätning av elektroner avslöjade unika och oväntade fynd. Forskarna publicerade sina resultat den 17 maj Fysiska granskningsbrev .

"Det är inte möjligt att få lösningen bara genom att spåra beteendet hos varje enskild elektron, " sa pappersförfattaren Myung Joon Han, professor i fysik vid KAIST. "Istället, man bör beskriva eller spåra alla intrasslade elektroner på en gång. Detta kräver ett smart sätt att behandla denna förveckling."

Professor Han och forskarna använde en nyligen utvecklad teori om "många partiklar" för att redogöra för elektronernas intrasslade natur i fasta ämnen, som approximerar hur elektroner lokalt interagerar med varandra för att förutsäga deras globala aktivitet.

Genom detta tillvägagångssätt, forskarna undersökte system med två orbitaler – det utrymme där elektroner kan bo. De fann att elektronerna låste sig i parallella arrangemang inom atomställen i fasta ämnen. Detta fenomen, känd som Hunds koppling, resulterar i en Hund's metal. Denna metalliska fas, som kan ge upphov till egenskaper som supraledning, ansågs endast existera i treorbitala system.

"Vårt fynd kullkastar en konventionell syn på att minst tre orbitaler behövs för att Hunds metallicitet ska framträda, " Professor Han sa, noterar att tvåorbitala system inte har varit i fokus för många fysiker. "Utöver detta fynd av en Hunds metall, vi identifierade olika metalliska regimer som naturligt kan förekomma i generiska, korrelerade elektronmaterial."

Forskarna hittade fyra olika korrelerade metaller. En härrör från närheten till en Mott-isolator, ett tillstånd av ett fast material som borde vara ledande men som faktiskt förhindrar ledning på grund av hur elektronerna interagerar. De andra tre metallerna bildas när elektroner anpassar sina magnetiska moment - eller faser för att producera ett magnetfält - på olika avstånd från Mott-isolatorn. Förutom att identifiera metallfaserna, forskarna föreslog också klassificeringskriterier för att definiera varje metallfas i andra system.

"Denna forskning kommer att hjälpa forskare att bättre karakterisera och förstå den djupare naturen hos så kallade" starkt korrelerade material, " där standardteorin om fasta ämnen bryts ner på grund av närvaron av starka Coulomb-interaktioner mellan elektroner, " Professor Han sa, hänvisar till den kraft med vilken elektronerna attraherar eller stöter bort varandra. Dessa interaktioner är vanligtvis inte närvarande i fasta material utan uppträder i material med metalliska faser.

Avslöjandet av metaller i tvåorbitala system och förmågan att bestämma elektronbeteende i hela systemet kan leda till ännu fler upptäckter, enligt professor Han.

"Detta kommer i slutändan att göra det möjligt för oss att manipulera och kontrollera en mängd olika elektronkorrelationsfenomen, " sa professor Han.