Scoperta di un'inaspettata barriera di conduttività negli isolanti Mott

Provvidenza, RI [Brown University] Nel mondo della fisica della materia condensata, ci sono pochi fenomeni tanto intriganti per i fisici quanto gli isolanti Mott.

Secondo la teoria convenzionale, questa strana classe di materiali dovrebbe essere in grado di condurre l’elettricità, ma agiscono principalmente come isolanti. Ancora più sorprendente è che, quando vengono aggiunti gli elettroni, il materiale può diventare un superconduttore, conducendo una corrente elettrica senza resistenza. Tuttavia, può anche rimanere un isolante indipendentemente dal numero di elettroni aggiunti. Le reazioni avverse estreme hanno sconcertato gli scienziati per decenni, ma alcuni di questi misteri potrebbero essere sul punto di essere chiariti.

Gli scienziati della Brown University in collaborazione con un team internazionale di ricercatori hanno sviluppato una nuova teoria, verificata attraverso una serie di esperimenti di laboratorio, per spiegare essenzialmente per la prima volta perché un tipo di isolante Mot resiste ostinatamente alla conduzione di elettricità anche quando vengono aggiunti elettroni.

“Questa è la prima volta che noi fisici capiamo microscopicamente perché il tipo specifico di isolante Mott che abbiamo esaminato non è stato convertito in un conduttore”, ha affermato il presidente del dipartimento di fisica della Brown University e la professoressa Vesna Mitrović, che guida il gruppo di risonanza magnetica della materia condensata. University ed è coautore del nuovo studio. “Questo lavoro fornisce un quadro di base del motivo per cui non ha mai funzionato come conduttore. La conclusione principale è che il materiale è utile per altre applicazioni elettroniche, ma non per la conversione in un conduttore.”

Il lavoro è Descritto in Nature Communications Lo studio è stato condotto in collaborazione con ricercatori dell’Università di Bologna, dell’Università di Vienna, dell’Università di Parma, del Politecnico di Parigi, del Collegio di Francia e della Ohio State University. Il lavoro è iniziato come un esperimento estraneo alla fisica della materia condensata tra ricercatori della Brown e dell'Università di Bologna.

Lo studio si è concentrato su un tipo di isolante chiamato Ba₂In realtà₁-Osso₆. Questo materiale è noto come isolante di Mott relativistico perché mostra un forte accoppiamento spin-orbita, uno stato in cui gli elettroni interagiscono fortemente tra loro e i loro spin sono strettamente intrecciati con il modo in cui si muovono nelle loro orbite individuali. In sostanza, questo fa sì che il materiale si discosti dalle previsioni fisiche più comuni, creando potenzialmente un comportamento elettronico speciale. Per questo motivo, la materia, e più in generale un'intera classe di isolanti Mott relativistici, ha ricevuto una significativa attenzione e investimenti da parte della comunità scientifica per comprenderne e controllarne le proprietà.

Gli scienziati ritengono che il materiale, come altri della sua classe, possa essere spostato dentro e fuori dallo stato isolante morto aggiungendo carica con gli elettroni. Il nuovo studio spiega come le particelle precedentemente invisibili nell'isolante di Mott interagiscono a livello quantico per impedirgli di trasformarsi in un conduttore anche quando vengono aggiunti molti elettroni extra.

“Questa nuova comprensione potrebbe far risparmiare ai ricercatori molto tempo, investimenti e sforzi nel provare metodi diversi”, ha affermato Mitrovic.

I ricercatori hanno scoperto che la chiave è un gruppo inaspettato di particelle chiamate dipoli che si formano quando al materiale viene aggiunta una carica elettronica. Normalmente, gli elettroni sono distribuiti uniformemente in un metallo, ma in questo caso alcuni degli elettroni carichi si attaccano a punti specifici del materiale quando vengono aggiunti. Sono questi elettroni intrappolati che si combinano con la struttura reticolare del materiale per diventare due poli. Gli elettrodi agiscono quindi come barriere per gli elettroni, rendendo loro difficile il movimento e la conduzione dell’elettricità. Anche quando si cerca di superare questo ostacolo aggiungendo più elettroni, gli elettrodi fanno in modo che gli elettroni rimangano bloccati e incapaci di muoversi liberamente. In definitiva, questo è ciò che mantiene il materiale isolante.

Questo comportamento inaspettato ha lasciato perplessi gli scienziati perché va contro la consueta comprensione di come i materiali rispondono ai cambiamenti nella loro struttura elettronica. Ecco perché i risultati dello studio hanno sorpreso i ricercatori e ci sono voluti quattro anni per elaborare i calcoli della teoria, poiché le interazioni non erano mai state studiate prima.

“Secondo la nostra comprensione della fisica attuale, questo non dovrebbe accadere”, ha detto Mitrovic.

I ricercatori sperano ora di testare la loro nuova teoria e le tecniche sperimentali e di scoprire quanto siano diffusi i dipoli negli isolanti relativistici di Mott.

“Sarebbe interessante vedere se ci sono delle condizioni in cui è possibile trasformare un isolante Mott relativistico in un conduttore o se questo è veramente universale”, ha detto Mitrovic.

Insieme a Mitrovic, gli altri autori di Brown includevano gli studenti laureati Eric Garcia e Rong Kong. Il dipolo è stato scoperto da Cesare Franchini e Lorenzo Ciliberti dell'Università di Vienna e Bologna, guardando i risultati sperimentali inaspettati del laboratorio Mitrovic della Brown e dei ricercatori Samuele Sanna dell'Università di Bologna e Giuseppe Allodi dell'Università di Parma.

Il lavoro di Brown è stato sostenuto dalla National Science Foundation.