Il disolfuro di tantalio è un materiale misterioso. Secondo la teoria dei libri di testo, dovrebbe essere un metallo conduttore, ma nel mondo reale, agisce come un isolante. Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, i ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science hanno esaminato ad alta risoluzione la struttura del materiale, rivelando perché dimostra questo comportamento non intuitivo.

È noto da tempo che i materiali cristallini dovrebbero essere buoni conduttori quando hanno un numero dispari di elettroni in ciascuna cella ripetitiva della struttura, ma possono essere cattivi conduttori quando il numero è pari. Però, a volte questa formula non funziona, con un caso "Mottness, " una proprietà basata sul lavoro di Sir Nevill Mott. Secondo tale teoria, quando c'è una forte repulsione tra gli elettroni nella struttura, porta gli elettroni a diventare "localizzati", paralizzati, in altre parole, e incapace di muoversi liberamente per creare una corrente elettrica. Ciò che rende la situazione complicata è che ci sono anche situazioni in cui gli elettroni in diversi strati di una struttura 3D possono interagire, accoppiandosi per creare una struttura a doppio strato con un numero pari di elettroni. È stato precedentemente suggerito che questo "accoppiamento" di elettroni avrebbe ripristinato la comprensione da manuale dell'isolante, rendendo superfluo invocare "Mottness" come spiegazione.

Per lo studio in corso, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , il gruppo di ricerca ha deciso di esaminare il disolfuro di tantalio, un materiale con 13 elettroni in ogni struttura ripetitiva, che dovrebbe quindi farne un conduttore. Però, non è, e ci sono state controversie sul fatto che questa proprietà sia causata dal suo "Mottness" o da una struttura di accoppiamento.

Per eseguire la ricerca, i ricercatori hanno creato cristalli di disolfuro di tantalio e poi hanno spaccato i cristalli nel vuoto per rivelare superfici ultra pulite, che hanno poi esaminato a una temperatura prossima allo zero assoluto con un metodo noto come microscopia a effetto tunnel, coinvolgendo una punta di metallo minuscola ed estremamente sensibile in grado di rilevare dove si trovano gli elettroni in un materiale e il loro grado di comportamento conduttivo tramite l'effetto tunnel quantistico. I loro risultati hanno mostrato che c'era, infatti, un accatastamento di strati che li ha effettivamente disposti in coppie. Qualche volta, i cristalli spaccati tra le coppie di strati, e a volte attraverso una coppia, romperlo. Hanno eseguito la spettroscopia su entrambi gli strati appaiati e non appaiati e hanno scoperto che anche quelli non appaiati sono isolanti, lasciando Mottness come unica spiegazione.

Secondo Christopher Butler, il primo autore dello studio, "L'esatta natura dello stato isolante e delle transizioni di fase nel disolfuro di tantalio sono misteri di vecchia data, ed è stato molto emozionante scoprire che Mottness è un attore chiave, a parte l'accoppiamento degli strati. Questo perché i teorici sospettano che uno stato di Mott potrebbe preparare il terreno per un'interessante fase della materia nota come liquido con spin quantistico".

Tetsuo Hanaguri, che ha guidato il gruppo di ricerca, disse, "La domanda su cosa faccia passare questo materiale dalla fase isolante a quella conduttiva è stata a lungo un enigma per i fisici, e sono molto soddisfatto che siamo riusciti a mettere un nuovo pezzo nel puzzle. Il lavoro futuro può aiutarci a trovare nuovi fenomeni interessanti e utili che emergono da Mottness, come la superconduttività ad alta temperatura".