I en upptäckt som kommer att ge teoretiker mycket att fundera över, ett all-RIKEN-team har observerat ett oväntat svar i ett exotiskt material som kallas en Mott-isolator när de injicerade elektroner i den. Denna observation lovar att ge fysiker nya insikter i sådana material, som är nära besläktade med högtemperatur superledare.

Varken en bit kisel eller en Mott -isolator leder elektricitet - men av mycket olika skäl. I kisel, elektroner är tätt bundna till atomer och kräver mycket energi för att bli rörliga ledningselektroner. I kontrast, i en Mott -isolator, elektroner kanske inte är starkt bundna till atomerna, men deras rörelse dämpas istället av deras ömsesidiga avstötning.

Mott -statens framväxt från interaktioner mellan elektroner leder till ovanliga egenskaper. "Ett litet överskott eller underskott av elektroner i en Mott-isolator kan leda till supraledning vid hög temperatur, som kan ha ett enormt praktiskt värde i framtiden, "säger Christopher Butler från RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)." I Mott-isolerande tantaldisulfid, elektroner är lokaliserade inte vid varje atom, men istället på toppen av en redan existerande laddningstäthetsvåg. "Eftersom laddningstäthetsvågan är ganska känslig, Mott -tillståndet kan enkelt justeras. "

Men för att utnyttja potentialen i detta Mott-isolerande tillstånd och laddningstäthetsvåg som är värd för det, forskare måste bättre förstå fysiken som förbinder dem.

Nu, Butler och tre kollegor, allt på CEMS, har lagt till överskott av elektroner till en Mott -isolator med hjälp av spetsen på ett skanningstunnelmikroskop (bild 1) och observerat ett överraskande svar - tunnelspektra visade en skarp egenskap, ett distinkt tillstånd som utlöser vibrationer i det joniska gallret.

Den konventionella teoretiska modellen för Mott-isolatorer förutsäger att spektrumet ska vara smidigt och icke-beskrivande. "Det var mest förvånande att vi såg så skarpa drag i våra tunnelspektroskopimätningar, "säger Butler." De kan tyda på att något pågår som ligger utanför den vanliga teorins gränser. "

Butler konstaterar att vissa teoretiska beräkningar förutspår skarpa funktioner som liknar hans team såg, men de involverar partikelliknande enheter som kallas kvasipartiklar, som är kontroversiella eftersom de inte tros finnas i riktiga Mott -isolatorer. "Det finns konkurrerande förklaringar till observationen som är mindre kontroversiella, "säger Butler." Men om det så småningom visar sig att beräkningsresultaten som visar att det finns kvasipartiklar är rätt, det kan skaka om den teoretiska förståelsen för Mott -isolatorer. "