Visão geral do pedido de cobrança, empilhamento entre camadas e superfícies clivadas em 1T-TaS2. a A estrutura não distorcida quase 2D de 1T-TaS2. b A supercélula que descreve a distorção SD periódica em uma única camada 1T-TaS 2. Os losangos azul-petróleo e azul marcam as projeções 2D da célula unitária atômica não distorcida, e a supercélula após o início do CDW proporcional, respectivamente. Os rótulos A, B, e C denotam os possíveis sites no topo dos quais sucessivos clusters SD podem empilhar. c O padrão de empilhamento SD atualmente discutido (S não mostrado), com dois SDs por célula e dois planos de clivagem distintos, 1 e 2. d Topografia STM típica tomada em uma superfície 1T-TaS 2 clivada a vácuo (V =250 mV, Iset =500 pA, barra de escala 20 nm). A inserção mostra a correspondência entre a modulação topográfica e a rede do cluster SD (barra de escala 1 nm). e Exemplos de espectros de condutância dos dois tipos observados em múltiplas superfícies clivadas. Tipicamente, um tipo de espectro ou outro aparece uniformemente (exceto na vizinhança de defeitos) ao longo de aprox. Áreas de 1 μm, a menos que uma morfologia de terraço seja observada. Será mostrado abaixo que os espectros do tipo 1 e 2 correspondem às superfícies formadas por clivagem nos planos 1 e 2, respectivamente. Crédito:RIKEN
O dissulfeto de tântalo é um material misterioso. De acordo com a teoria dos livros didáticos, deve ser um metal condutor, mas no mundo real, ele atua como um isolante. Usando um microscópio de tunelamento de varredura, pesquisadores do RIKEN Center for Emergent Matter Science analisaram em alta resolução a estrutura do material, revelando por que demonstra esse comportamento não intuitivo.
Há muito se sabe que os materiais cristalinos devem ser bons condutores quando têm um número ímpar de elétrons em cada célula repetida da estrutura, mas podem ser maus condutores quando o número é par. Contudo, às vezes essa fórmula não funciona, com um caso sendo "Mottness, "uma propriedade baseada no trabalho de Sir Nevill Mott. De acordo com essa teoria, quando há forte repulsão entre os elétrons na estrutura, faz com que os elétrons se tornem "localizados" - paralisados, em outras palavras - e incapaz de se mover livremente para criar uma corrente elétrica. O que torna a situação complicada é que também existem situações em que os elétrons em diferentes camadas de uma estrutura 3-D podem interagir, emparelhar para criar uma estrutura de duas camadas com um número par de elétrons. Foi sugerido anteriormente que este "emparelhamento" de elétrons restauraria a compreensão do livro didático sobre o isolador, tornando desnecessário invocar "Mottness" como uma explicação.
Para o estudo atual, publicado em Nature Communications , o grupo de pesquisa decidiu examinar o dissulfeto de tântalo, um material com 13 elétrons em cada estrutura de repetição, o que deve, portanto, torná-lo um condutor. Contudo, não é, e tem havido controvérsia sobre se essa propriedade é causada por seu "mottness" ou por uma estrutura de emparelhamento.
Para realizar a pesquisa, os pesquisadores criaram cristais de dissulfeto de tântalo e, em seguida, clivaram os cristais no vácuo para revelar superfícies ultra-limpas, que eles então examinaram a uma temperatura próxima do zero absoluto com um método conhecido como microscopia de tunelamento de varredura, envolvendo uma ponta de metal minúscula e extremamente sensível que pode detectar onde os elétrons estão em um material e seu grau de comportamento de condução por meio do efeito de tunelamento quântico. Seus resultados mostraram que havia, na verdade, um empilhamento de camadas que efetivamente os organizou em pares. As vezes, os cristais clivados entre os pares de camadas, e às vezes por meio de um par, quebrá-lo. Eles realizaram espectroscopia nas camadas emparelhadas e não emparelhadas e descobriram que mesmo as não emparelhadas são isolantes, deixando Mottness como a única explicação.
De acordo com Christopher Butler, o primeiro autor do estudo, "A natureza exata do estado de isolamento e das transições de fase no dissulfeto de tântalo são mistérios de longa data, e foi muito emocionante descobrir que Mottness é um jogador importante, além do emparelhamento das camadas. Isso ocorre porque os teóricos suspeitam que um estado de Mott poderia preparar o cenário para uma fase interessante da matéria conhecida como líquido quântico de spin. "
Tetsuo Hanaguri, que liderou a equipe de pesquisa, disse, "A questão de o que faz este material se mover entre as fases isolantes e condutoras tem sido um quebra-cabeça para os físicos, e estou muito satisfeito por termos conseguido colocar uma nova peça no quebra-cabeça. Trabalhos futuros podem nos ajudar a encontrar novos fenômenos interessantes e úteis emergindo de Mottness, como a supercondutividade de alta temperatura. "
