In una scoperta che darà ai teorici molto su cui riflettere, un team tutto RIKEN ha osservato una risposta inaspettata in un materiale esotico noto come isolante di Mott quando vi hanno iniettato degli elettroni. Questa osservazione promette di dare ai fisici nuove intuizioni su tali materiali, strettamente correlati ai superconduttori ad alta temperatura.

Né un pezzo di silicio né un isolante Mott conducono elettricità, ma per ragioni molto diverse. Nel silicio, gli elettroni sono strettamente legati agli atomi e richiedono molta energia per diventare elettroni a conduzione mobile. In contrasto, in un isolante Mott, gli elettroni potrebbero non essere fortemente legati agli atomi, ma il loro movimento è invece frenato dalla loro reciproca repulsione.

L'emergere dello stato di Mott dalle interazioni tra gli elettroni porta a proprietà insolite. "Un piccolo eccesso o deficit di elettroni in un isolante Mott può portare a superconduttività ad alta temperatura, che potrebbe essere di enorme valore pratico in futuro, " afferma Christopher Butler del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "Nel disolfuro di tantalio isolante Mott, gli elettroni non sono localizzati in ciascun atomo, ma invece sulle creste di una preesistente 'onda di densità di carica." Poiché l'onda di densità di carica è piuttosto delicata, lo stato di Mott può essere facilmente modificato."

Ma per sfruttare il potenziale di questo stato isolante di Mott e l'onda di densità di carica che lo ospita, gli scienziati hanno bisogno di capire meglio la fisica che li collega.

Ora, Butler e tre colleghi, tutto al CEMS, hanno aggiunto elettroni in eccesso a un isolante Mott usando la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel (Fig. 1) e hanno osservato una risposta sorprendente:gli spettri di tunneling hanno mostrato una caratteristica nitida, uno stato distinto che innesca vibrazioni nel reticolo ionico.

Il modello teorico convenzionale per gli isolanti Mott prevede che lo spettro dovrebbe essere uniforme e non descrittivo. "È stato molto sorprendente vedere caratteristiche così nitide nelle nostre misurazioni di spettroscopia a tunnel, "dice Butler. "Possono indicare che sta succedendo qualcosa che è al di fuori dei limiti della solita teoria."

Butler osserva che alcuni calcoli teorici prevedono caratteristiche nitide simili a quelle viste dal suo team, ma coinvolgono entità simili a particelle note come quasiparticelle, che sono controversi poiché non si pensa che esistano nei veri isolanti Mott. "Ci sono spiegazioni in competizione per l'osservazione che sono meno controverse, " dice Butler. "Ma se alla fine si scopre che i risultati del calcolo che indicano l'esistenza di quasiparticelle sono corretti, potrebbe scuotere la comprensione teorica degli isolanti Mott."