Inom den kondenserade materiens fysik är det få fenomen som fängslar fysikernas nyfikenhet så mycket som Mott-isolatorer. Enligt traditionell teori borde denna udda klass av material kunna leda elektricitet, men de beter sig mest som isolatorer.
Vad som är ännu mer bisarrt är att när elektroner läggs till kan materialet faktiskt bli en supraledare som leder en elektrisk ström med noll motstånd. Men det kan också förbli en isolator oavsett hur många elektroner som tillsätts. De extrema motsatta reaktionerna har förbryllat forskare i årtionden, men några av dessa mysterier kan vara på väg att ta slut.
Forskare från Brown University som arbetar med ett internationellt team av forskare har utvecklat en ny teori, som de verifierat genom en serie laboratorieexperiment, för att för första gången i grunden förklara varför en typ av Mott-isolator envist motstår att leda elektricitet även när elektroner tillsätts.
"Det är första gången som vi som fysiker mikroskopiskt förstår varför den specifika typen av Mott-isolator som vi tittade på aldrig har förvandlats till en ledare", säger Browns fysikavdelningsordförande och professor Vesna Mitrović, som leder en magnetisk resonansgrupp för kondenserad materia på universitetet och är medförfattare till den nya studien.
"Verket ger en väldigt grundläggande bild av varför det kanske aldrig fungerar som konduktör. Det viktigaste är att materialet är användbart för andra elektroniska applikationer, men inte för att förvandlas till en konduktör."
Arbetet beskrivs i Nature Communications och gjordes i samarbete med forskare från University of Bologna, University of Vienna, University of Parma, Institute Polytechnique de Paris, Collège de France och Ohio State University.
Arbetet började som ett icke-relaterat fysikexperiment med kondenserad materia mellan forskare från Brown och University of Bologna.
Studien fokuserade på en typ av Mott-isolator som heter Ba2 Na1 –OsO6 . Materialet är vad som kallas en relativistisk Mott-isolator eftersom det uppvisar stark spin-omloppskoppling, ett tillstånd där elektroner båda interagerar starkt med varandra och deras spin är mycket intrasslat med hur de rör sig i sina individuella banor.
I huvudsak gör detta att materialet avviker från vanligare fysikförutsägelser, vilket kan skapa något speciellt elektroniskt beteende. På grund av detta har materialet, och mer generellt hela klassen av relativistiska Mott-isolatorer, fått avsevärd uppmärksamhet och investeringar av forskarsamhället för att förstå och kontrollera dess egenskaper.
Forskare tror att materialet, liksom andra i sin klass, kan flyttas in och ut ur Motts isolerande tillstånd genom att lägga till laddning med elektroner. Den nya studien förklarar hur tidigare osynliga partiklar i denna Mott-isolator interagerar på kvantnivå för att hindra den från att förvandlas till en ledare även när många extra elektroner tillsätts.
"Denna nya förståelse kan spara forskare mycket tid, investeringar och ansträngning från att prova olika metoder," sa Mitrović.
Forskarna fann att nyckeln är en oväntad samling partiklar som kallas bipolaroner som bildas när elektronisk laddning läggs till materialet. Vanligtvis sprids elektronerna ut jämnt i en metall, men här fastnar några av de laddade elektronerna på vissa ställen i materialet när de tillsätts.
Dessa fångade elektroner är det som kommer tillsammans med materialets gitterstruktur för att bli bipolaroner. Bipolaronerna fungerar då som vägspärrar för elektronerna, vilket gör det svårt för dem att röra sig och leda elektricitet.
Även när man försöker övervinna denna vägspärr genom att lägga till ännu fler elektroner, ser bipolaronerna till att elektronerna fortsätter att fastna och inte kan röra sig fritt. I slutändan är det detta som håller materialet en isolator.
Detta oväntade beteende förbryllade forskarna eftersom det går emot den vanliga förståelsen för hur material reagerar på förändringar i deras elektroniska struktur. Det är därför resultaten från studien överraskade forskarna och beräkningarna för teorin tog fyra år att sammanställa, med tanke på att interaktionerna inte hade studerats tidigare.
"Enligt vår förståelse av dagens fysik borde detta inte hända", sa Mitrović.
Forskarna hoppas nu kunna sätta sin nya teori och experimenttekniker på prov och se hur utbredda bipolaroner är i relativistiska Mott-isolatorer.
"Det kommer att bli intressant att se om det finns några omständigheter som gör att du kan förvandla en relativistisk Mott-isolator till ledare eller är detta verkligen universellt", sa Mitrović.
Mer information: Lorenzo Celiberti et al, Spin-orbital Jahn-Teller bipolarons, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46621-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Brown University
