Tantaaldisulfide is een mysterieus materiaal. Volgens de leerboektheorie het moet een geleidend metaal zijn, maar in de echte wereld, het werkt als een isolator. Met behulp van een scanning tunneling microscoop, onderzoekers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science hebben in hoge resolutie gekeken naar de structuur van het materiaal, onthullen waarom het dit niet-intuïtieve gedrag vertoont.

Het is al lang bekend dat kristallijne materialen goede geleiders moeten zijn als ze een oneven aantal elektronen in elke herhalende cel van de structuur hebben, maar kunnen slechte geleiders zijn als het aantal even is. Echter, soms werkt deze formule niet, met één geval zijnde "Mottness, een eigenschap gebaseerd op het werk van Sir Nevill Mott. Volgens die theorie, wanneer er sterke afstoting is tussen elektronen in de structuur, het leidt ertoe dat de elektronen "gelokaliseerd" worden - verlamd, met andere woorden - en niet in staat vrij te bewegen om een ​​elektrische stroom te creëren. Wat de situatie ingewikkeld maakt, is dat er ook situaties zijn waarin elektronen in verschillende lagen van een 3D-structuur kunnen interageren, paren om een ​​dubbellaagse structuur te creëren met een even aantal elektronen. Er is eerder gesuggereerd dat deze "paren" van elektronen het leerboekbegrip van de isolator zou herstellen, waardoor het onnodig is om "Mottness" als verklaring aan te roepen.

Voor het huidige onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoeksgroep besloot te kijken naar tantaaldisulfide, een materiaal met 13 elektronen in elke herhalende structuur, die het daarom een ​​dirigent zou moeten maken. Echter, Het is niet, en er is controverse geweest over de vraag of deze eigenschap wordt veroorzaakt door zijn "Mottness" of door een paringsstructuur.

Om het onderzoek uit te voeren, de onderzoekers creëerden kristallen van tantaaldisulfide en splitsten de kristallen vervolgens in een vacuüm om ultraschone oppervlakken te onthullen, die ze vervolgens onderzochten bij een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt met een methode die bekend staat als scanning tunneling microscopie, met een kleine en extreem gevoelige metalen punt die kan voelen waar elektronen zich in een materiaal bevinden en hun mate van geleidend gedrag via het kwantumtunneleffect. Hun resultaten toonden aan dat er, inderdaad, een stapeling van lagen die ze effectief in paren rangschikte. Soms, de kristallen gespleten tussen de paren lagen, en soms door een paar, het breken. Ze voerden spectroscopie uit op zowel de gepaarde als de ongepaarde lagen en ontdekten dat zelfs de ongepaarde lagen isolerend zijn, het verlaten van Mottness als de enige verklaring.

Volgens Christopher Butler, de eerste auteur van de studie, "De exacte aard van de isolerende staat en van de faseovergangen in tantaaldisulfide zijn al lang bestaande mysteries, en het was heel opwindend om te ontdekken dat Mottness een belangrijke speler is, afgezien van het koppelen van de lagen. Dit komt omdat theoretici vermoeden dat een Mott-toestand het toneel zou kunnen vormen voor een interessante fase van materie die bekend staat als een kwantumspinvloeistof."

Tetsuo Hanaguri, die het onderzoeksteam leidde, zei, "De vraag waardoor dit materiaal tussen isolerende en geleidende fasen beweegt, is lang een puzzel geweest voor natuurkundigen, en ik ben zeer tevreden dat we een nieuw stukje in de puzzel hebben kunnen leggen. Toekomstig werk kan ons helpen nieuwe interessante en nuttige fenomenen te vinden die voortkomen uit Mottness, zoals supergeleiding bij hoge temperatuur."