Zoals alle metalen, zilver, koper, en goud zijn geleiders. Elektronen stromen over hen heen, warmte en elektriciteit vervoeren. Hoewel goud onder alle omstandigheden een goede geleider is, sommige materialen hebben de eigenschap zich alleen als metalen geleiders te gedragen als de temperatuur hoog genoeg is; bij lage temperaturen, ze werken als isolatoren en dragen geen goed werk bij het transporteren van elektriciteit. Met andere woorden, deze ongebruikelijke materialen gedragen zich van als een stuk goud tot een stuk hout als de temperatuur wordt verlaagd. Natuurkundigen hebben theorieën ontwikkeld om deze zogenaamde metaal-isolatorovergang te verklaren, maar de mechanismen achter de transities zijn niet altijd duidelijk.

"In sommige gevallen, het is niet gemakkelijk te voorspellen of een materiaal een metaal of een isolator is, ", legt Caltech-bezoeker Yejun Feng van de Okinawa Institute for Science and Technology Graduate University uit. "Metalen zijn altijd goede geleiders, wat er ook gebeurt, maar sommige andere zogenaamde schijnbare metalen zijn isolatoren om redenen die niet goed worden begrepen." Feng puzzelt al minstens vijf jaar over deze vraag; anderen in zijn team, zoals medewerker David Mandrus aan de Universiteit van Tennessee, al meer dan twee decennia over het probleem nadenken.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie van Feng en collega's, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , biedt het zuiverste experimentele bewijs tot nu toe van een metaal-isolator overgangstheorie die 70 jaar geleden werd voorgesteld door natuurkundige John Slater. Volgens die theorie zou magnetisme, die ontstaat wanneer de zogenaamde "spins" van elektronen in een materiaal op een ordelijke manier worden georganiseerd, kan alleen de overgang van metaal naar isolator aansturen; in andere eerdere experimenten, veranderingen in de roosterstructuur van een materiaal of elektroneninteracties op basis van hun ladingen zijn verantwoordelijk geacht.

"Dit is een probleem dat teruggaat tot een theorie die in 1951 werd geïntroduceerd, maar tot nu toe was het erg moeilijk om een ​​experimenteel systeem te vinden dat de spin-spin-interacties daadwerkelijk aantoont als de drijvende kracht vanwege verstorende factoren, " legt co-auteur Thomas Rosenbaum uit, een professor in de natuurkunde aan Caltech, die ook de voorzitter van het Instituut is en de voorzitter van de Sonja en William Davidow.

"Slater stelde voor dat, als de temperatuur wordt verlaagd, een geordende magnetische toestand zou voorkomen dat elektronen door het materiaal stromen, " legt Rosenbaum uit. "Hoewel zijn idee theoretisch goed is, blijkt dat voor de overgrote meerderheid van de materialen, de manier waarop elektronen elektronisch met elkaar interageren heeft een veel sterker effect dan de magnetische interacties, wat de taak om het Slater-mechanisme te bewijzen uitdagend maakte."

Het onderzoek zal helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over hoe verschillende materialen zich gedragen, en kan ook toepassingen hebben in technologie, bijvoorbeeld op het gebied van spintronica, waarin de spins van elektronen de basis zouden vormen van elektrische apparaten in plaats van de elektronenladingen zoals nu routine is. "Fundamentele vragen over metaal en isolatoren zullen relevant zijn in de komende technologische revolutie, ' zegt Feng.

Interactieve buren

Typisch, als iets een goede geleider is, zoals een metaal, de elektronen kunnen grotendeels ongehinderd rondvliegen. Omgekeerd, met isolatoren, de elektronen komen vast te zitten en kunnen niet vrij reizen. De situatie is vergelijkbaar met gemeenschappen van mensen, legt Feng uit. Als je aan materialen denkt als gemeenschappen en elektronen als leden van het huishouden, dan "zijn isolatoren gemeenschappen met mensen die niet willen dat hun buren komen omdat ze zich daar ongemakkelijk bij voelen." Geleidende metalen, echter, vertegenwoordigen "hechte gemeenschappen, zoals in een studentenhuis, waar buren elkaar vrij en vaak bezoeken, " hij zegt.

Hetzelfde, Feng gebruikt deze metafoor om uit te leggen wat er gebeurt als sommige metalen isolatoren worden als de temperatuur daalt. "Het is net als de winter, in dat mensen - of de elektronen - thuis blijven en niet naar buiten gaan om met elkaar om te gaan."

In de jaren veertig, natuurkundige Sir Nevill Francis Mott ontdekte hoe sommige metalen isolatoren kunnen worden. Zijn theorie, waarvoor in 1977 de Nobelprijs voor de natuurkunde werd gewonnen, beschreef hoe "bepaalde metalen isolatoren kunnen worden wanneer de elektronische dichtheid afneemt door de atomen op een gemakkelijke manier van elkaar te scheiden, " volgens het persbericht van de Nobelprijs. In dit geval de afstoting tussen de elektronen zit achter de overgang.

in 1951, Slater stelde een alternatief mechanisme voor op basis van spin-spin-interacties, maar dit idee was moeilijk experimenteel te bewijzen omdat de andere processen van de metaal-isolatorovergang, inclusief die voorgesteld door Mott, kan het Slater-mechanisme overspoelen, waardoor het moeilijk is om te isoleren.

Uitdagingen van echte materialen

In de nieuwe studie de onderzoekers konden eindelijk het Slater-mechanisme experimenteel aantonen met behulp van een verbinding die sinds 1974 wordt bestudeerd, pyrochlooroxide of Cd2Os2O7 genoemd. Deze verbinding wordt niet beïnvloed door andere metaal-isolator overgangsmechanismen. Echter, binnen dit materiaal, het Slater-mechanisme wordt overschaduwd door een onvoorziene experimentele uitdaging, namelijk de aanwezigheid van "domeinmuren" die het materiaal in secties verdelen.

"De domeinmuren zijn als de snelwegen of grotere wegen tussen gemeenschappen, " zegt Feng. In pyrochlooroxide, de domeinwanden zijn geleidend, ook al is het grootste deel van het materiaal isolerend. Hoewel de domeinmuren begonnen als een experimentele uitdaging, ze bleken essentieel voor de ontwikkeling door het team van een nieuwe meetprocedure en -techniek om het Slater-mechanisme te bewijzen.

"Eerdere pogingen om de overgangstheorie van Slater metaal-isolator te bewijzen, hielden geen rekening met het feit dat de domeinmuren de door magnetisme aangestuurde effecten maskeerden, " zegt Yishu Wang (Ph.D. '18), een co-auteur aan de Johns Hopkins University die onafgebroken aan deze studie heeft gewerkt sinds haar afstudeerwerk bij Caltech. "Door de domeinwanden te isoleren van het grootste deel van de isolatiematerialen, we waren in staat om een ​​vollediger begrip van het Slater-mechanisme te ontwikkelen." Wang had eerder met Patrick Lee gewerkt, een gasthoogleraar aan Caltech van MIT, het basisbegrip van geleidende domeinmuren leggen met behulp van symmetrie-argumenten, die beschrijven hoe en of elektronen in materialen reageren op veranderingen in de richting van een magnetisch veld.

"Door de conventionele veronderstellingen over hoe elektrische geleidbaarheidsmetingen worden gedaan in magnetische materialen uit te dagen door middel van fundamentele symmetrie-argumenten, we hebben nieuwe tools ontwikkeld om spintronische apparaten te onderzoeken, waarvan vele afhankelijk zijn van transport over domeinmuren, ' zegt Rosenbaum.

"We hebben een methodologie ontwikkeld om de invloed van de domeinmuur te onderscheiden, en alleen dan kon het Slater-mechanisme worden onthuld, "zegt Feng. "Het is een beetje alsof je een ruwe diamant ontdekt."