Grazie agli elettroni intrappolati, un materiale che dovrebbe essere un metallo conduttore rimane un isolante

14 luglio 2023

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dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Una nuova ricerca fa luce sul meccanismo alla base del modo in cui un materiale speciale cambia da metallo elettricamente conduttore a isolante elettrico. I ricercatori hanno studiato l’ossido di nichel stronzio e lantanio (La1.67Sr0.33NiO4) derivato da un materiale quantistico La2NiO4. I materiali quantistici hanno proprietà insolite che derivano dal modo in cui interagiscono i loro elettroni. Al di sotto di una temperatura critica, il materiale drogato con stronzio è un isolante. Ciò è dovuto alla separazione dei fori introdotti dalle regioni magnetiche, formando "strisce". All'aumentare della temperatura, queste strisce fluttuano e si sciolgono a 240K. A questa temperatura, i ricercatori si aspettavano che il materiale diventasse un metallo conduttore. Resta invece un materiale isolante. La diffusione dei neutroni fa luce su questo fenomeno intrigante. I risultati indicano che il materiale rimane un isolante a causa di alcune vibrazioni atomiche che intrappolano gli elettroni e quindi impediscono la conduzione elettrica.

I materiali quantistici hanno proprietà che non sono previste dalle parti che li compongono. Ad esempio, possono passare dai metalli agli isolanti o agire come superconduttori. Rappresentano un’enorme promessa per le applicazioni nella scienza e nella tecnologia. Questa ricerca descrive la sintonizzabilità dell'interazione elettrone-fonone sulla transizione metallo-isolante in un materiale quantistico. I risultati aiuteranno a convalidare modelli teorici di materiali che hanno elettroni fortemente interagenti. Queste teorie aiuteranno gli scienziati a progettare nuovi materiali quantistici per le tecnologie future.

Nei metalli gli elettroni possono essere considerati come particelle libere che volano lungo traiettorie imposte dalla struttura cristallina. Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno scoperto nuovi materiali in cui gli elettroni si respingono fortemente a vicenda e rimbalzano sulle vibrazioni atomiche nel cristallo ospite. Questi materiali presentano proprietà insolite e tecnologicamente utili. Queste proprietà possono includere un drastico calo della resistenza elettrica nei campi magnetici, la conduzione degli elettroni solo sulla superficie e la superconduttività ad alta temperatura. Comprendere queste proprietà nei diversi materiali rimane una grande sfida per la comunità scientifica.

Questo lavoro ha utilizzato fasci di neutroni ad alta intensità presso la Spallation Neutron Source, una struttura utilizzata dal Dipartimento dell'Energia presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), per osservare in profondità l'archetipo del materiale quantistico La2NiO4 in cui un sesto degli atomi di lantanio (La) viene sostituito. con atomi di stronzio (Sr) (La1.67Sr0.33NiO4). Il team comprendeva ricercatori dell’Università del Colorado Boulder, dell’ORNL, del Brookhaven National Laboratory e del RIKEN Center for Emergent Matter Science in Giappone. Questi materiali sono isolanti alle basse temperature grazie al cosiddetto ordine "a strisce" che risulta dalla complessa interazione tra gli spin elettronici e i fori introdotti a causa del drogaggio con lo stronzio. Si prevede che il materiale drogato diventi metallico al di sopra di 240K quando le strisce si sciolgono. Tuttavia, il materiale rimane isolante. La collaborazione ha scoperto un forte attrito tra i fori e alcune vibrazioni degli ioni di ossigeno e ha trovato prove di questa interazione in altri materiali con struttura simile. Il meccanismo microscopico potrebbe aprire la strada alla progettazione di nuovi materiali con proprietà insolite utili per varie tecnologie quantistiche.

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