Come tutti i metalli, d'argento, rame, e l'oro sono conduttori. Gli elettroni scorrono attraverso di loro, trasportando calore ed elettricità. Mentre l'oro è un buon conduttore in qualsiasi condizione, alcuni materiali hanno la proprietà di comportarsi come conduttori metallici solo se le temperature sono sufficientemente elevate; a basse temperature, agiscono come isolanti e non svolgono un buon lavoro nel trasportare l'elettricità. In altre parole, questi materiali insoliti vanno dall'agire come un pezzo d'oro all'agire come un pezzo di legno quando le temperature si abbassano. I fisici hanno sviluppato teorie per spiegare questa cosiddetta transizione metallo-isolante, ma i meccanismi alla base delle transizioni non sono sempre chiari.

"In alcuni casi, non è facile prevedere se un materiale è un metallo o un isolante, " spiega il socio in visita di Caltech Yejun Feng dell'Okinawa Institute for Science and Technology Graduate University. "I metalli sono sempre buoni conduttori, qualunque cosa accada, ma alcuni altri cosiddetti metalli apparenti sono isolanti per ragioni che non sono ben comprese." Feng si è interrogato su questa domanda per almeno cinque anni; altri nella sua squadra, come il collaboratore David Mandrus presso l'Università del Tennessee, hanno pensato al problema per più di due decenni.

Ora, un nuovo studio di Feng e colleghi, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , offre la prova sperimentale più chiara di una teoria della transizione metallo-isolante proposta 70 anni fa dal fisico John Slater. Secondo tale teoria, magnetismo, che risulta quando i cosiddetti "spin" degli elettroni in un materiale sono organizzati in modo ordinato, può guidare esclusivamente la transizione metallo-isolante; in altri esperimenti precedenti, sono stati ritenuti responsabili i cambiamenti nella struttura reticolare di un materiale o le interazioni degli elettroni in base alle loro cariche.

"Questo è un problema che risale a una teoria introdotta nel 1951, ma fino ad ora è stato molto difficile trovare un sistema sperimentale che dimostri effettivamente le interazioni spin-spin come forza motrice a causa di fattori confondenti, " spiega il co-autore Thomas Rosenbaum, un professore di fisica al Caltech che è anche presidente dell'Istituto e presidente presidenziale di Sonja e William Davidow.

"Slater ha proposto che, quando la temperatura si abbassa, uno stato magnetico ordinato impedirebbe agli elettroni di fluire attraverso il materiale, "Spiega Rosenbaum. "Sebbene la sua idea sia teoricamente valida, risulta che per la stragrande maggioranza dei materiali, il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro elettronicamente ha un effetto molto più forte delle interazioni magnetiche, che ha reso impegnativo il compito di dimostrare il meccanismo di Slater."

La ricerca aiuterà a rispondere a domande fondamentali su come si comportano i diversi materiali, e può anche avere applicazioni nella tecnologia, ad esempio nel campo della spintronica, in cui gli spin degli elettroni formerebbero la base dei dispositivi elettrici invece delle cariche degli elettroni come è di routine ora. "Le domande fondamentali su metallo e isolanti saranno rilevanti nella prossima rivoluzione tecnologica, "dice Feng.

Vicini che interagiscono

Tipicamente, quando qualcosa è un buon conduttore, come un metallo, gli elettroni possono sfrecciare in gran parte senza ostacoli. Al contrario, con isolanti, gli elettroni si bloccano e non possono viaggiare liberamente. La situazione è paragonabile a comunità di persone, spiega Feng. Se pensi ai materiali come comunità e agli elettroni come membri delle famiglie, poi "gli isolanti sono comunità con persone che non vogliono che i loro vicini visitino perché li fa sentire a disagio". metalli conduttivi, però, rappresentano "comunità affiatate, come in un dormitorio universitario, dove i vicini si visitano liberamente e frequentemente, " lui dice.

Allo stesso modo, Feng usa questa metafora per spiegare cosa succede quando alcuni metalli diventano isolanti quando le temperature scendono. "È come l'inverno, in quanto le persone, o gli elettroni, restano a casa e non escono e interagiscono."

Negli anni '40, il fisico Sir Nevill Francis Mott ha scoperto come alcuni metalli possono diventare isolanti. La sua teoria, che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1977, descrisse come "alcuni metalli possono diventare isolanti quando la densità elettronica diminuisce separando gli atomi l'uno dall'altro in qualche modo conveniente, " secondo il comunicato stampa del Premio Nobel. In questo caso, la repulsione tra gli elettroni è dietro la transizione.

Nel 1951, Slater ha proposto un meccanismo alternativo basato su interazioni spin-spin, ma questa idea è stata difficile da dimostrare sperimentalmente perché gli altri processi della transizione metallo-isolante, compresi quelli proposti da Mott, può inondare il meccanismo Slater, rendendo difficile l'isolamento.

Sfide dei materiali reali

Nel nuovo studio, i ricercatori sono stati finalmente in grado di dimostrare sperimentalmente il meccanismo di Slater utilizzando un composto che è stato studiato dal 1974, chiamato ossido di pirocloro o Cd2Os2O7. Questo composto non è influenzato da altri meccanismi di transizione metallo-isolante. Però, all'interno di questo materiale, il meccanismo Slater è oscurato da una sfida sperimentale imprevista, vale a dire la presenza di "pareti di dominio" che suddividono il materiale in sezioni.

"I muri del dominio sono come le autostrade o le strade più grandi tra le comunità, " dice Feng. Nell'ossido di pirocloro, le pareti del dominio sono conduttive, anche se la maggior parte del materiale è isolante. Sebbene i muri di dominio siano iniziati come una sfida sperimentale, si sono rivelati essenziali per lo sviluppo del team di una nuova procedura e tecnica di misurazione per dimostrare il meccanismo Slater.

"Gli sforzi precedenti per dimostrare la teoria della transizione metallo-isolante di Slater non hanno tenuto conto del fatto che le pareti del dominio stavano mascherando gli effetti guidati dal magnetismo, " dice Yishu Wang (Ph.D. '18), una coautrice della Johns Hopkins University che ha lavorato continuamente a questo studio sin dal suo lavoro di laurea al Caltech. "Isolando le pareti del dominio dalla massa dei materiali isolanti, siamo stati in grado di sviluppare una comprensione più completa del meccanismo Slater." Wang aveva già lavorato con Patrick Lee, un professore in visita al Caltech del MIT, stabilire la comprensione di base delle pareti di dominio conduttivo utilizzando argomenti di simmetria, che descrivono come e se gli elettroni nei materiali rispondono ai cambiamenti nella direzione di un campo magnetico.

"Sfidando le ipotesi convenzionali su come vengono effettuate le misurazioni della conducibilità elettrica nei materiali magnetici attraverso argomenti fondamentali di simmetria, abbiamo sviluppato nuovi strumenti per sondare dispositivi spintronici, molti dei quali dipendono dal trasporto attraverso le pareti del dominio, "dice Rosenbaum.

"Abbiamo sviluppato una metodologia per distinguere l'influenza del muro di dominio, e solo allora si poteva svelare il meccanismo di Slater, "dice Feng. "È un po' come scoprire un diamante grezzo".