Pesquisadores encontram obstáculos inesperados à condutividade em isoladores Mott
Os pesquisadores descobriram que a chave para sua teoria é uma coleção inesperada de partículas chamadas bipolarons que se formam quando carga eletrônica é adicionada ao material. Crédito:Laboratório Mitrović No domínio da física da matéria condensada, poucos fenômenos cativam tanto a curiosidade dos físicos quanto os isoladores de Mott. De acordo com a teoria tradicional, esta estranha classe de materiais deveria ser capaz de conduzir eletricidade, mas eles se comportam principalmente como isolantes.
O que é ainda mais bizarro é que quando elétrons são adicionados, o material pode realmente se tornar um supercondutor, conduzindo uma corrente elétrica com resistência zero. No entanto, também pode permanecer um isolante, não importa quantos elétrons sejam adicionados. As reações extremas opostas intrigam os cientistas há décadas, mas alguns desses mistérios podem estar chegando ao fim.
Cientistas da Universidade Brown, trabalhando com uma equipe internacional de pesquisadores, desenvolveram uma nova teoria, que verificaram através de uma série de experimentos de laboratório, para explicar fundamentalmente pela primeira vez por que um tipo de isolador Mott resiste teimosamente à condução de eletricidade, mesmo quando elétrons são adicionados.
"É a primeira vez que nós, como físicos, entendemos microscopicamente por que o tipo específico de isolador Mott que examinamos nunca foi transformado em condutor", disse a presidente do departamento de física de Brown e professora Vesna Mitrović, que lidera um grupo de ressonância magnética de matéria condensada no da Universidade e é coautor do novo estudo.
"O trabalho fornece uma imagem realmente fundamental de por que ele pode nunca funcionar como condutor. A principal conclusão é que o material é útil para outras aplicações eletrônicas, mas não para se transformar em condutor."
O trabalho está descrito em Nature Communications e foi feito em colaboração com pesquisadores da Universidade de Bolonha, Universidade de Viena, Universidade de Parma, Instituto Politécnico de Paris, Collège de France e Universidade Estadual de Ohio.
O trabalho começou como um experimento não relacionado de física da matéria condensada entre pesquisadores de Brown e da Universidade de Bolonha.
O estudo se concentrou em um tipo de isolador Mott chamado Ba2 Na1 –OsO6 . O material é conhecido como isolante relativístico de Mott porque exibe um forte acoplamento spin-órbita, um estado no qual os elétrons interagem fortemente entre si e seu spin está fortemente emaranhado com a maneira como eles se movem em suas órbitas individuais.
Essencialmente, isso faz com que o material se desvie das previsões físicas mais comuns, o que pode criar algum comportamento eletrônico especial. Por causa disso, o material, e mais geralmente toda a classe de isoladores relativísticos de Mott, tem atraído considerável atenção e investimento por parte da comunidade científica para compreender e controlar suas propriedades.
Os cientistas acreditam que o material, como outros de sua classe, pode entrar e sair do estado isolante de Mott adicionando carga com elétrons. O novo estudo explica como partículas anteriormente invisíveis neste isolador de Mott interagem no nível quântico para impedir que ele se transforme em um condutor, mesmo quando muitos elétrons extras são adicionados.
“Esta nova compreensão poderia poupar aos investigadores muito tempo, investimento e esforço ao tentarem métodos diferentes”, disse Mitrović.
Os pesquisadores descobriram que a chave é uma coleção inesperada de partículas chamadas bipolarons, que se formam quando uma carga eletrônica é adicionada ao material. Normalmente, os elétrons se espalham uniformemente em um metal, mas aqui alguns dos elétrons carregados ficam presos em certos pontos do material quando adicionados.
Esses elétrons presos são o que se junta à estrutura reticular do material para se tornarem bipolarons. Os bipolarons então agem como barreiras para os elétrons, dificultando sua movimentação e condução de eletricidade.
Mesmo ao tentar superar esse obstáculo adicionando ainda mais elétrons, os bipolarons garantem que os elétrons continuem presos e sejam incapazes de se mover livremente. Em última análise, é isso que mantém o material como isolante.
Este comportamento inesperado intrigou os cientistas porque vai contra a compreensão habitual de como os materiais respondem a mudanças na sua estrutura electrónica. É por isso que os resultados do estudo pegaram os pesquisadores de surpresa e os cálculos da teoria levaram quatro anos para serem feitos, já que as interações não haviam sido estudadas antes.
“De acordo com a nossa compreensão da física atual, isso não deveria acontecer”, disse Mitrović.
Os pesquisadores agora esperam colocar à prova sua nova teoria e técnicas de experimentação e ver como os bipolarons estão difundidos nos isoladores relativísticos de Mott.
"Será interessante ver se há alguma circunstância em que você possa transformar um isolador relativístico de Mott em condutor ou se isso é verdadeiramente universal", disse Mitrović.
