Como todos os metais, prata, cobre, e ouro são condutores. Os elétrons fluem através deles, transportando calor e eletricidade. Embora o ouro seja um bom condutor sob quaisquer condições, alguns materiais têm a propriedade de se comportar como condutores de metal apenas se as temperaturas forem altas o suficiente; em baixas temperaturas, eles agem como isolantes e não fazem um bom trabalho no transporte de eletricidade. Em outras palavras, esses materiais incomuns vão de atuar como um pedaço de ouro para atuar como um pedaço de madeira conforme as temperaturas baixam. Os físicos desenvolveram teorias para explicar esta chamada transição metal-isolante, mas os mecanismos por trás das transições nem sempre são claros.

"Em alguns casos, não é fácil prever se um material é um metal ou um isolante, "explica Caltech visitante associado Yejun Feng da Universidade de Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa." Os metais são sempre bons condutores, não importa o quê, mas alguns outros chamados metais aparentes são isolantes por razões que não são bem compreendidas. "Feng está intrigado com essa questão há pelo menos cinco anos; outros em sua equipe, como o colaborador David Mandrus da Universidade do Tennessee, pensei sobre o problema por mais de duas décadas.

Agora, um novo estudo de Feng e colegas, publicado em Nature Communications , oferece a prova experimental mais limpa de uma teoria de transição metal-isolante proposta 70 anos atrás pelo físico John Slater. De acordo com essa teoria, magnetismo, que resulta quando os chamados "spins" de elétrons em um material são organizados de forma ordenada, pode apenas conduzir a transição metal-isolante; em outros experimentos anteriores, mudanças na estrutura da rede de um material ou interações de elétrons com base em suas cargas foram consideradas responsáveis.

"Este é um problema que remonta a uma teoria introduzida em 1951, mas até agora tem sido muito difícil encontrar um sistema experimental que realmente demonstre as interações spin-spin como a força motriz devido a fatores de confusão, "explica o co-autor Thomas Rosenbaum, um professor de física na Caltech que também é o presidente do Instituto e a cadeira presidencial Sonja e William Davidow.

"Slater propôs que, conforme a temperatura diminui, um estado magnético ordenado impediria que os elétrons fluíssem através do material, "Rosenbaum explica." Embora sua ideia seja teoricamente correta, Acontece que para a grande maioria dos materiais, a forma como os elétrons interagem uns com os outros eletronicamente tem um efeito muito mais forte do que as interações magnéticas, o que tornou a tarefa de provar o mecanismo de Slater desafiadora. "

A pesquisa ajudará a responder a questões fundamentais sobre como os diferentes materiais se comportam, e também pode ter aplicações em tecnologia, por exemplo, no campo da spintrônica, em que os spins dos elétrons formariam a base dos dispositivos elétricos em vez das cargas eletrônicas, como é rotina agora. "Questões fundamentais sobre metal e isoladores serão relevantes na próxima revolução tecnológica, "diz Feng.

Vizinhos interagindo

Tipicamente, quando algo é um bom condutor, como um metal, os elétrons podem se mover livremente. Por outro lado, com isoladores, os elétrons ficam presos e não podem viajar livremente. A situação é comparável a comunidades de pessoas, explica Feng. Se você pensa em materiais como comunidades e elétrons como membros das famílias, então, "isolantes são comunidades com pessoas que não querem que seus vizinhos visitem porque se sentem desconfortáveis". Metais condutores, Contudo, representam "comunidades unidas, como em um dormitório da faculdade, onde os vizinhos se visitam livremente e com frequência, " ele diz.

Da mesma forma, Feng usa essa metáfora para explicar o que acontece quando alguns metais se tornam isolantes à medida que as temperaturas caem. "É como o inverno, em que as pessoas - ou os elétrons - fiquem em casa e não saiam e interajam. "

Na década de 1940, o físico Sir Nevill Francis Mott descobriu como alguns metais podem se tornar isolantes. Sua teoria, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1977, descreveu como "certos metais podem se tornar isolantes quando a densidade eletrônica diminui, separando os átomos uns dos outros de alguma forma conveniente, "de acordo com o comunicado de imprensa do Prêmio Nobel. Neste caso, a repulsão entre os elétrons está por trás da transição.

Em 1951, Slater propôs um mecanismo alternativo baseado em interações spin-spin, mas esta ideia tem sido difícil de provar experimentalmente porque os outros processos de transição metal-isolante, incluindo aqueles propostos por Mott, pode inundar o mecanismo Slater, tornando difícil isolar.

Desafios de materiais reais

No novo estudo, os pesquisadores conseguiram finalmente demonstrar experimentalmente o mecanismo de Slater usando um composto que foi estudado desde 1974, denominado óxido de pirocloro ou Cd2Os2O7. Este composto não é afetado por outros mecanismos de transição metal-isolante. Contudo, dentro deste material, o mecanismo de Slater é ofuscado por um desafio experimental imprevisto, nomeadamente a presença de "paredes de domínio" que dividem o material em secções.

"As paredes do domínio são como rodovias ou estradas maiores entre as comunidades, "diz Feng. No óxido de pirocloro, as paredes do domínio são condutoras, mesmo que a maior parte do material seja isolante. Embora as paredes de domínio tenham começado como um desafio experimental, eles acabaram sendo essenciais para o desenvolvimento da equipe de um novo procedimento e técnica de medição para provar o mecanismo de Slater.

"Esforços anteriores para provar a teoria de transição de metal-isolador de Slater não levaram em conta o fato de que as paredes do domínio estavam mascarando os efeitos impulsionados pelo magnetismo, "diz Yishu Wang (Ph.D. '18), co-autora da Johns Hopkins University, que trabalhou continuamente neste estudo desde seu trabalho de graduação na Caltech. "Ao isolar as paredes do domínio da maior parte dos materiais isolantes, fomos capazes de desenvolver uma compreensão mais completa do mecanismo de Slater. "Wang já havia trabalhado com Patrick Lee, um professor visitante da Caltech do MIT, estabelecer o entendimento básico de paredes de domínio condutor usando argumentos de simetria, que descrevem como e se os elétrons nos materiais respondem às mudanças na direção de um campo magnético.

"Ao desafiar as suposições convencionais sobre como as medições de condutividade elétrica são feitas em materiais magnéticos por meio de argumentos de simetria fundamentais, desenvolvemos novas ferramentas para testar dispositivos spintrônicos, muitos dos quais dependem do transporte através das paredes do domínio, "diz Rosenbaum.

"Desenvolvemos uma metodologia para separar a influência da parede de domínio, e só então o mecanismo de Slater poderia ser revelado, "diz Feng." É um pouco como descobrir um diamante bruto. "