In een bevinding die theoretici genoeg zal geven om over na te denken, een volledig RIKEN-team heeft een onverwachte reactie waargenomen in een exotisch materiaal dat bekend staat als een Mott-isolator toen ze er elektronen in injecteerden. Deze observatie belooft natuurkundigen nieuwe inzichten te geven in dergelijke materialen, die nauw verwant zijn aan supergeleiders bij hoge temperaturen.

Noch een stuk silicium, noch een Mott-isolator geleiden elektriciteit, maar om heel verschillende redenen. In silicium, elektronen zijn stevig gebonden aan atomen en hebben veel energie nodig om mobiele geleidingselektronen te worden. In tegenstelling tot, in een Mott-isolator, elektronen zijn mogelijk niet sterk gebonden aan de atomen, maar hun beweging wordt in plaats daarvan afgeremd door hun wederzijdse afstoting.

De opkomst van de Mott-toestand door interacties tussen elektronen leidt tot ongebruikelijke eigenschappen. "Een klein overschot of tekort aan elektronen in een Mott-isolator kan leiden tot supergeleiding bij hoge temperaturen, die in de toekomst van enorme praktische waarde kunnen zijn, " zegt Christopher Butler van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "In Mott-isolerend tantaaldisulfide, elektronen zijn niet bij elk atoom gelokaliseerd, maar in plaats daarvan op de toppen van een reeds bestaande 'ladingsdichtheidsgolf'. de Mott-staat kan gemakkelijk worden aangepast."

Maar om het potentieel van deze Mott-isolerende staat en de ladingsdichtheidsgolf die het huisvest, te benutten, wetenschappers moeten de fysica die hen verbindt beter begrijpen.

Nutsvoorzieningen, Butler en drie collega's, allemaal bij CEMS, hebben overtollige elektronen toegevoegd aan een Mott-isolator met behulp van de punt van een scanning tunneling-microscoop (Fig. 1) en een verrassende reactie waargenomen - tunnelingspectra vertoonden een scherp kenmerk, een aparte toestand die trillingen veroorzaakt in het ionenrooster.

Het conventionele theoretische model voor Mott-isolatoren voorspelt dat het spectrum vloeiend en niet-beschrijvend moet zijn. "Het was zeer verrassend dat we zulke scherpe kenmerken zagen in onze tunnelspectroscopiemetingen, "zegt Butler. "Ze kunnen erop wijzen dat er iets aan de hand is dat buiten de gebruikelijke theorie valt."

Butler merkt op dat sommige theoretische berekeningen scherpe kenmerken voorspellen die lijken op die zijn team zag, maar het gaat om deeltjesachtige entiteiten die bekend staan ​​als quasideeltjes, die controversieel zijn omdat men denkt dat ze niet bestaan ​​in echte Mott-isolatoren. "Er zijn concurrerende verklaringen voor de waarneming die minder controversieel zijn, ", zegt Butler. "Maar als uiteindelijk blijkt dat de rekenresultaten die het bestaan ​​van quasideeltjes aangeven, kloppen, het kan het theoretische begrip van Mott-isolatoren opschudden."