Uno studio condotto in Australia ha scoperto un comportamento isolante insolito in un nuovo materiale atomicamente sottile e la capacità di accenderlo e spegnerlo.
I materiali che presentano forti interazioni tra gli elettroni possono mostrare proprietà insolite come la capacità di agire come isolanti anche quando si prevede che conducano elettricità. Questi isolanti, noti come isolanti di Mott, si verificano quando gli elettroni si congelano a causa della forte repulsione che avvertono da altri elettroni vicini, impedendo loro di trasportare corrente.
Un nuovo studio condotto da FLEET presso la Monash University, pubblicato questa settimana su Nature Communications , ha dimostrato una fase isolante di Mott all'interno di una struttura metallo-organica (MOF) atomicamente sottile e la capacità di cambiare in modo controllabile questo materiale da isolante a conduttore. La capacità di questo materiale di agire come un efficiente "interruttore" lo rende un candidato promettente per l'applicazione in nuovi dispositivi elettronici come i transistor.
Il materiale atomicamente sottile (o 2D) al centro dello studio è un tipo di MOF, una classe di materiali composta da molecole organiche e atomi di metallo.
"Grazie alla versatilità degli approcci chimici supramolecolari, in particolare applicati alle superfici come substrati, abbiamo un numero quasi infinito di combinazioni per costruire materiali dal basso verso l'alto, con precisione su scala atomica", spiega l'autore corrispondente A/Prof Schiffrin. "In questi approcci, le molecole organiche vengono utilizzate come elementi costitutivi. Scegliendo attentamente gli ingredienti giusti, possiamo ottimizzare le proprietà dei MOF."
L’importante proprietà su misura del MOF in questo studio è la sua geometria a forma di stella, nota come struttura kagome. Questa geometria migliora l'influenza delle interazioni elettrone-elettrone, portando direttamente alla realizzazione di un isolante Mott.
L'interruttore on-off:la popolazione di elettroni
Gli autori hanno costruito il MOF kagome a forma di stella da una combinazione di atomi di rame e molecole di 9,10-dicianoantracene (DCA). Hanno coltivato il materiale su un altro materiale isolante atomicamente sottile, il nitruro di boro esagonale (hBN), su una superficie di rame atomicamente piatta, Cu(111).
"Abbiamo misurato le proprietà strutturali ed elettroniche del MOF su scala atomica utilizzando la microscopia a effetto tunnel e la spettroscopia", spiega l'autore principale, il dottor Benjamin Lowe, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. con FLOTTA. "Questo ci ha permesso di misurare un gap energetico inaspettato, il segno distintivo di un isolante."
Il sospetto degli autori che il gap energetico misurato sperimentalmente fosse una firma di una fase isolante di Mott è stato confermato confrontando i risultati sperimentali con i calcoli della teoria dinamica del campo medio.
"La firma elettronica nei nostri calcoli ha mostrato un notevole accordo con le misurazioni sperimentali e ha fornito prove conclusive di una fase isolante di Mott", spiega il Dr. Bernard Field, ex membro della FLEET, che ha eseguito i calcoli teorici in collaborazione con ricercatori dell'Università del Queensland e dell'Okinawa Institute dell'Università di Scienze e Tecnologie in Giappone.
Gli autori sono stati anche in grado di modificare la popolazione di elettroni nel MOF utilizzando variazioni nell'ambiente chimico del substrato hBN e nel campo elettrico sotto la punta del microscopio a effetto tunnel.
Quando alcuni elettroni vengono rimossi dal MOF, la repulsione avvertita dagli elettroni rimanenti si riduce e si scongelano, consentendo al materiale di comportarsi come un metallo. Gli autori sono stati in grado di osservare questa fase metallica dalla scomparsa del gap energetico misurato quando hanno rimosso alcuni elettroni dal MOF. La popolazione di elettroni è l'interruttore on-off per le transizioni di fase controllabili da isolante Mott a metallo.
La capacità di questo MOF di passare dall'isolante Mott alle fasi metalliche modificando la popolazione di elettroni è un risultato promettente che potrebbe essere sfruttato in nuovi tipi di dispositivi elettronici (ad esempio, transistor). Un prossimo passo promettente verso tali applicazioni sarebbe quello di riprodurre questi risultati all'interno di una struttura di dispositivo in cui un campo elettrico viene applicato uniformemente su tutto il materiale.
L'osservazione di un isolante di Mott in un MOF che è facile da sintetizzare e contiene elementi abbondanti rende questi materiali candidati interessanti per ulteriori studi di fenomeni fortemente correlati, tra cui potenzialmente superconduttività, magnetismo o liquidi con spin.
Ulteriori informazioni: Benjamin Lowe et al, Controllo del cancello locale della transizione metallo-isolante Mott in una struttura metallo-organica 2D, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47766-8
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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