Ciò che è ancora più bizzarro è che quando vengono aggiunti gli elettroni, il materiale può effettivamente diventare un superconduttore, conducendo una corrente elettrica con resistenza pari a zero. Tuttavia, può anche rimanere un isolante, indipendentemente dal numero di elettroni aggiunti. Le reazioni estremamente opposte hanno lasciato perplessi gli scienziati per decenni, ma alcuni di questi misteri potrebbero essere prossimi a una fine.

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 sostanzialmente per la prima volta perché un tipo di isolante Mott resiste ostinatamente alla conduzione di elettricità anche quando vengono aggiunti elettroni.

"È la prima volta che noi fisici comprendiamo microscopicamente perché il tipo specifico di isolante Mott che abbiamo osservato non è mai stato trasformato in un conduttore", ha affermato Vesna Mitrović, presidente del dipartimento di fisica di Brown e professoressa, che guida un gruppo di risonanza magnetica della materia condensata presso l'Università di Washington. l'Università ed è coautore del nuovo studio.

"Il lavoro fornisce un quadro davvero fondamentale del motivo per cui potrebbe non funzionare mai come conduttore. La conclusione principale è che il materiale è utile per altre applicazioni elettroniche, ma non per trasformarsi in un conduttore."

Il lavoro è descritto in Nature Communications ed è stato realizzato in collaborazione con ricercatori dell'Università di Bologna, dell'Università di Vienna, dell'Università di Parma, dell'Institute Polytechnique de Paris, del Collège de France e della Ohio State University.

Il lavoro è iniziato come un esperimento di fisica della materia condensata non correlato tra ricercatori della Brown e l'Università di Bologna.

Lo studio si è concentrato su un tipo di isolante Mott chiamato Ba₂ Na₁ –OsO₆ . Il materiale è quello che 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 il loro spin è fortemente intrecciato 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, il che potrebbe creare alcuni comportamenti elettronici speciali. Per questo motivo, il materiale, e più in generale l'intera classe degli isolanti Mott relativistici, ha raccolto notevole attenzione e investimenti da parte della comunità scientifica per comprenderne e controllarne le proprietà.

Gli scienziati pensano che il materiale, come altri della sua classe, possa essere spostato dentro e fuori lo stato isolante di Mott aggiungendo carica con gli elettroni. Il nuovo studio spiega come le particelle mai viste prima in questo isolante 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 Mitrović.

I ricercatori hanno scoperto che la chiave è un insieme inaspettato di particelle chiamate bipolaroni che si formano quando al materiale viene aggiunta una carica elettronica. Di solito, gli elettroni si distribuiscono uniformemente in un metallo, ma in questo caso alcuni degli elettroni carichi rimangono bloccati in determinati punti del materiale quando vengono aggiunti.

Questi elettroni intrappolati sono ciò che si unisce alla struttura reticolare del materiale per diventare bipolaroni. I bipolaroni agiscono quindi come blocchi stradali per gli elettroni, rendendo loro difficile muoversi e condurre l'elettricità.

Anche quando cercano di superare questo ostacolo aggiungendo ancora più elettroni, i bipolaroni fanno in modo che gli elettroni continuino a rimanere bloccati e non siano in grado di muoversi liberamente. In definitiva, questo è ciò che mantiene il materiale un isolante.

Questo comportamento inaspettato ha lasciato perplessi gli scienziati perché va contro la normale comprensione di come i materiali rispondono ai cambiamenti nella loro struttura elettronica. È per questo che i risultati dello studio hanno colto di sorpresa i ricercatori e ci sono voluti quattro anni per mettere insieme i calcoli per la teoria, dato che le interazioni non erano state studiate prima.

"Secondo la nostra comprensione della fisica attuale, questo non dovrebbe accadere", ha detto Mitrović.

I ricercatori ora sperano di mettere alla prova la loro nuova teoria e le tecniche di sperimentazione e vedere quanto siano diffusi i bipolaroni negli isolanti Mott relativistici.

"Sarà interessante vedere se ci sono circostanze in cui è possibile trasformare un isolante Mott relativistico in un conduttore o se questo è veramente universale", ha detto Mitrović.