De meeste moderne elektronische apparaten vertrouwen op kleine, nauwkeurig afgestemde elektrische stromen om informatie te verwerken en op te slaan. Deze stromen bepalen hoe snel onze computers werken, hoe regelmatig onze pacemakers tikken en hoe veilig ons geld op de bank staat.

In een studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van de University of British Columbia hebben een geheel nieuwe manier aangetoond om dergelijke elektrische stromen nauwkeurig te regelen door gebruik te maken van de interactie tussen de spin van een elektron (het kwantummagneetveld dat het inherent draagt) en zijn orbitale rotatie rond de kern.

"We hebben een nieuwe manier gevonden om de elektrische geleiding in materialen van aan naar uit te schakelen, ", aldus hoofdauteur Berend Zwartsenberg, een doctoraat student aan het Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) van UBC. "Dit opwindende resultaat vergroot niet alleen ons begrip van hoe elektrische geleiding werkt, het zal ons helpen om bekende eigenschappen zoals geleidbaarheid, magnetisme en supergeleiding, en nieuwe te ontdekken die belangrijk kunnen zijn voor quantum computing, dataopslag en energietoepassingen."

De schakelaar omdraaien bij overgangen tussen metaal en isolatie

Breed, alle materialen kunnen worden gecategoriseerd als metalen of isolatoren, afhankelijk van het vermogen van elektronen om door het materiaal te bewegen en elektriciteit te geleiden.

Echter, niet alle isolatoren zijn gelijk gemaakt. In eenvoudige materialen, het verschil tussen metallisch en isolerend gedrag komt voort uit het aantal aanwezige elektronen:een oneven aantal voor metalen, en een even getal voor isolatoren. Bij complexere materialen zoals zogenaamde Mott-isolatoren, de elektronen interageren op verschillende manieren met elkaar, met een delicaat evenwicht dat hun elektrische geleiding bepaalt.

In een Mott-isolator, elektrostatische afstoting voorkomt dat de elektronen te dicht bij elkaar komen, waardoor een verkeersopstopping ontstaat en de vrije stroom van elektronen wordt beperkt. Tot nu, er waren twee bekende manieren om de verkeersopstopping te verhelpen:door de kracht van de afstotende interactie tussen elektronen te verminderen, of door het aantal elektronen te veranderen.

Het SBQMI-team onderzocht een derde mogelijkheid:was er een manier om de kwantumaard van het materiaal te veranderen om een ​​metaal-isolatorovergang mogelijk te maken?

Met behulp van een techniek genaamd hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie, het team onderzocht de Mott-isolator Sr2IrO4, het aantal elektronen controleren, hun elektrostatische afstoting, en tenslotte de interactie tussen de elektronspin en zijn orbitale rotatie.

"We ontdekten dat het koppelen van de spin aan het baanimpulsmoment de elektronen zodanig vertraagt ​​dat ze gevoelig worden voor elkaars aanwezigheid, het stollen van de verkeersopstopping", aldus Zwartsenberg. "Het verminderen van de spin-baankoppeling verlicht op zijn beurt de verkeersopstopping en met deze strategie konden we voor het eerst een overgang van een isolator naar een metaal demonstreren."

"Dit is een heel opwindend resultaat op fundamenteel natuurkundig niveau, en vergroot het potentieel van moderne elektronica, " zei co-auteur Andrea Damascelli, hoofdonderzoeker en wetenschappelijk directeur van SBQMI. "Als we een microscopisch begrip kunnen ontwikkelen van deze fasen van kwantummaterie en hun opkomende elektronische verschijnselen, we kunnen ze exploiteren door kwantummaterialen atoom voor atoom te ontwikkelen voor nieuwe elektronische, magnetische en sensortoepassingen."