Magnetismul împinge metalele în izolatori într-un nou experiment

Ca toate metalele, argintul, cuprul și aurul sunt conductori. Electronii curg prin el, transportând căldură și electricitate. În timp ce aurul este un bun conductor în orice circumstanțe, unele materiale au proprietatea de a se comporta ca conductori metalici numai dacă temperaturile sunt suficient de ridicate; La temperaturi mai scăzute, acționează ca niște izolatori și nu fac o treabă bună de a transporta electricitate. Cu alte cuvinte, aceste materiale neobișnuite trec de la comportamentul ca o bucată de aur la comportamentul ca o bucată de lemn pe măsură ce temperaturile scad. Fizicienii au dezvoltat teorii pentru a explica așa-numita tranziție izolator-metal, dar mecanismele din spatele tranzițiilor nu sunt întotdeauna clare.

„În unele cazuri, nu este ușor să se prevadă dacă un material este un fișier metal sau izolator „, explică vizitatul Caltech Fellow Yejun Feng de la Okinawa Graduate University of Science and Technology. Metalele sunt întotdeauna conductori buni indiferent de ce, dar unele alte așa-numite metale sunt izolatoare din motive care nu sunt bine înțelese. Feng a nedumerit această întrebare timp de cel puțin cinci ani; alții din echipa sa, precum colaboratorul David Mandros de la Universitatea din Tennessee, au meditat asupra problemei de mai bine de două decenii.

Acum, un nou studiu realizat de Feng și colegii săi, publicat în Conexiuni Natura, oferă cel mai curat ghid demo de până acum pe fișier transmisie izolator metalic Teoria propusă de fizicianul John Slater în urmă cu 70 de ani. Conform acestei teorii, magnetismul, care rezultă atunci când așa-numita „rotire” a electronilor dintr-un material este organizat în mod ordonat, singur poate conduce la tranziția izolatorului; În alte experimente anterioare, modificări ale structurii rețelei materialului sau Interacțiuni electronice Pe baza acuzațiilor lor, aceștia au fost considerați responsabili.

„Aceasta este o problemă care se întoarce la o teorie introdusă în 1951, dar până acum a fost foarte dificil să se găsească un sistem experimental care să demonstreze interacțiunile spin-spin ca o forță motrice din cauza factorilor de confuzie”, explică co-autorul. Thomas Rosenbaum, profesor Caltech de fizică și președinte al Institutului și președinte Sonja și William Davidow prezidențial.

„Slater a sugerat că atunci când temperatura este redusă, starea magnetică comandată va împiedica curgerea electronilor prin material”, explică Rosenbaum. „Deși ideea sa este teoretic solidă, se dovedește că, pentru marea majoritate a materialelor, modul în care electronii interacționează reciproc electronic are un efect mult mai puternic decât interacțiunile magnetice, ceea ce a îngreunat sarcina de a demonstra mecanismul Slater”.

Cercetarea va ajuta să răspundă la întrebări fundamentale cu privire la modul în care se comportă diferite materiale și poate avea și aplicații în tehnologie, de exemplu în domeniul electronicii de spin, unde bobinele de electroni constituie baza dispozitivelor electrice, mai degrabă decât sarcinile electronice, ca de obicei. chiar acum. „Întrebările fundamentale despre metale și izolatori vor fi relevante pentru următoarea revoluție tehnologică”, spune Feng.

Interacțiunea vecinilor

În mod normal, atunci când ceva este un bun conductor, cum ar fi un metal, electronii se pot deplasa în mare parte fără obstacole. Dimpotrivă, cu izolatorii, electronii se blochează și nu pot călători liber. Feng explică faptul că situația este similară pentru comunitățile de oameni. Dacă vă gândiți la materiale ca la comunități și la electroni ca la indivizi în case, „Izolatorii sunt comunități cu oameni care nu vor ca vecinii să le viziteze, deoarece îi face să se simtă inconfortabil” Cu toate acestea, metalele conductoare reprezintă „comunități strânse, cum ar fi într-o reședință universitară, unde vecinii se vizitează liber și frecvent”, spune el.

La fel, Feng folosește această metaforă pentru a explica ce se întâmplă atunci când anumite metale devin izolatoare pe măsură ce temperaturile scad. „Este ca iarna, unde oamenii – sau electronii – stau acasă și nu ies și interacționează.”

În anii 1940, fizicianul Sir Neville Francis Mott a descoperit cum anumite metale pot deveni izolatori. Teoria sa, care a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 1977, a descris modul în care „anumite metale pot deveni izolatori atunci când densitatea electronilor scade prin separarea corespunzătoare a atomilor”, potrivit comunicatului de presă al Premiului Nobel. În acest caz, repulsia dintre electroni se află în spatele tranziției.

În 1951, Slater a propus un mecanism alternativ bazat pe interacțiunile spin-spin, dar această idee a fost dificil de demonstrat experimental, deoarece alte procese de tranziție izolator-metal, inclusiv cele propuse de Mott, ar putea înghiți mecanismul Slater, ceea ce îl face dificil. a izola.

Provocări materiale reale

În noul studiu, cercetătorii au putut în cele din urmă să demonstreze în mod experimental mecanismul Slater folosind un compus care a fost studiat din 1974, numit oxid de perclor sau Cd2Os2O7. Acest compus nu este afectat de alte mecanisme de tranziție ale izolatorului metalic. Cu toate acestea, în cadrul acestui articol, mecanismul lui Slater este umbrit de o provocare experimentală neașteptată, și anume prezența „Pereții domeniuluicare împarte materialul în secțiuni.

„Zidurile sferei sunt ca niște autostrăzi sau drumuri mai mari între comunități”, spune Feng. În oxidul de perclor, pereții domeniului sunt conductivi, deși cea mai mare parte a materialului este un izolator. Deși zidurile domeniului au început ca o provocare experimentală, s-au dovedit a fi esențiale pentru dezvoltarea de către echipă a unei noi măsurători și tehnici pentru a demonstra mecanismul Slater.

„Eforturile anterioare de a demonstra teoria tranziției Slater-metal-dielectric nu au ținut cont de faptul că pereții domeniului mascau efecte magnetice”, spune Yishu Wang (Ph.D. ’18), coautor Johns. Universitatea Hopkins a lucrat continuu la acest studiu de când a absolvit Caltech. „Prin izolarea pereților domeniului de cea mai mare parte a materialului izolant, am reușit să dezvoltăm o înțelegere mai completă a mecanismului Slater.” Wang a lucrat anterior cu Patrick Lee, profesor invitat la Caltech de la MIT, pentru a dezvolta o înțelegere de bază a conducerii pereților câmpului folosind argumente de simetrie, care descriu cum și dacă electronii din materiale răspund la schimbările în direcția câmpului magnetic.

„Provocând ipotezele tradiționale despre modul în care se fac măsurători ale conductivității electrice cu magnetism Material Cu argumente de simetrie de bază, am dezvoltat noi instrumente pentru sondarea dispozitivelor cu electroni X, dintre care multe se bazează pe transportul peste pereții domeniului ”, spune Rosenbaum.

„Am dezvoltat o metodologie pentru a separa efectul zidului domeniului și abia atunci poate fi dezvăluit mecanismul Slater”, spune Feng. „E cam ca și cum ai descoperi un diamant brut”.