Wetenschap
Onderzoekers vinden een onverwachte wegversperring voor de geleidbaarheid in Mott-isolatoren
Wat nog bizarder is, is dat wanneer elektronen worden toegevoegd, het materiaal feitelijk een supergeleider kan worden, die een elektrische stroom geleidt zonder weerstand. Het kan echter ook een isolator blijven, ongeacht hoeveel elektronen er worden toegevoegd. De extreem tegenovergestelde reacties hebben wetenschappers tientallen jaren in verwarring gebracht, maar aan sommige van deze mysteries komt mogelijk een einde.
Wetenschappers van Brown University hebben in samenwerking met een internationaal team van onderzoekers een nieuwe theorie ontwikkeld, die ze hebben geverifieerd door middel van een reeks laboratoriumexperimenten, om voor het eerst fundamenteel uit te leggen waarom één type Mott-isolator koppig weerstand biedt aan het geleiden van elektriciteit, zelfs als er elektronen worden toegevoegd.
"Het is de eerste keer dat wij als natuurkundigen microscopisch begrijpen waarom het specifieke type Mott-isolator waar we naar keken nooit in een geleider is veranderd", zegt Brown, voorzitter van de natuurkundeafdeling en professor Vesna Mitrović, die leiding geeft aan een magnetische resonantiegroep voor gecondenseerde materie bij de universiteit en is co-auteur van het nieuwe onderzoek.
"Het werk geeft een heel fundamenteel beeld van waarom het misschien nooit zal werken als dirigent. De belangrijkste conclusie is dat het materiaal nuttig is voor andere elektronische toepassingen, maar niet om in een dirigent te veranderen."
Het werk wordt beschreven in Nature Communications en werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Bologna, Universiteit van Wenen, Universiteit van Parma, Institute Polytechnique de Paris, Collège de France en de Ohio State University.
Het werk begon als een niet-gerelateerd natuurkundig experiment met gecondenseerde materie tussen onderzoekers van Brown en de Universiteit van Bologna.
Het onderzoek richtte zich op een type Mott-isolator genaamd Ba2 Na1 –OsO6 . Het materiaal staat bekend als een relativistische Mott-isolator omdat het een sterke spin-baan-koppeling vertoont, een toestand waarin elektronen beide sterk met elkaar interageren en hun spin sterk verweven is met de manier waarop ze in hun individuele banen bewegen.
In wezen zorgt dit ervoor dat het materiaal afwijkt van meer algemene natuurkundige voorspellingen, wat speciaal elektronisch gedrag kan veroorzaken. Hierdoor heeft het materiaal, en meer in het algemeen de hele klasse van relativistische Mott-isolatoren, aanzienlijke aandacht en investeringen van de wetenschappelijke gemeenschap gekregen om de eigenschappen ervan te begrijpen en te controleren.
Wetenschappers denken dat het materiaal, net als anderen in zijn klasse, in en uit de Mott-isolerende toestand kan worden verplaatst door lading toe te voegen met elektronen. De nieuwe studie legt uit hoe voorheen onzichtbare deeltjes in deze Mott-isolator op kwantumniveau interageren om te voorkomen dat deze in een geleider verandert, zelfs als er veel extra elektronen worden toegevoegd.
"Dit nieuwe inzicht zou onderzoekers veel tijd, investeringen en moeite kunnen besparen bij het uitproberen van verschillende methoden", aldus Mitrović.
De onderzoekers ontdekten dat de sleutel een onverwachte verzameling deeltjes is, bipolaronen genaamd, die ontstaan wanneer elektronische lading aan het materiaal wordt toegevoegd. Normaal gesproken verspreiden de elektronen zich gelijkmatig in een metaal, maar hier blijven sommige geladen elektronen bij toevoeging vastzitten op bepaalde plekken in het materiaal.
Deze gevangen elektronen komen samen met de roosterstructuur van het materiaal en vormen bipolaronen. De bipolaronen fungeren dan als wegversperringen voor de elektronen, waardoor ze moeilijk kunnen bewegen en elektriciteit kunnen geleiden.
Zelfs als we deze wegversperring proberen te overwinnen door nog meer elektronen toe te voegen, zorgen de bipolaronen ervoor dat de elektronen vast blijven zitten en niet vrij kunnen bewegen. Uiteindelijk zorgt dit ervoor dat het materiaal isoleert.
Dit onverwachte gedrag bracht de wetenschappers in verwarring omdat het indruist tegen het gebruikelijke begrip van hoe materialen reageren op veranderingen in hun elektronische structuur. Daarom verrasten de resultaten van het onderzoek de onderzoekers en duurde het vier jaar om de berekeningen voor de theorie samen te stellen, aangezien de interacties nog niet eerder waren onderzocht.
"Volgens ons begrip van de huidige natuurkunde zou dit niet mogen gebeuren", zei Mitrović.
De onderzoekers hopen nu hun nieuwe theorie en experimenteertechnieken op de proef te stellen en te zien hoe wijdverbreid bipolaronen voorkomen in relativistische Mott-isolatoren.
"Het zal interessant zijn om te zien of er omstandigheden zijn waarin je een relativistische Mott-isolator in een geleider kunt veranderen of is dit echt universeel", zei Mitrović.