Como todos los metales, plata, cobre, y el oro son conductores. Los electrones fluyen a través de ellos, llevando calor y electricidad. Si bien el oro es un buen conductor en cualquier condición, algunos materiales tienen la propiedad de comportarse como conductores metálicos solo si las temperaturas son lo suficientemente altas; a bajas temperaturas, actúan como aislantes y no transportan bien la electricidad. En otras palabras, Estos materiales inusuales pasan de actuar como un trozo de oro a actuar como un trozo de madera a medida que bajan las temperaturas. Los físicos han desarrollado teorías para explicar esta llamada transición metal-aislante, pero los mecanismos detrás de las transiciones no siempre están claros.

"En algunos casos, no es fácil predecir si un material es un metal o un aislante, "explica el asociado visitante de Caltech, Yejun Feng, de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa." Los metales siempre son buenos conductores, pase lo que pase, pero algunos otros llamados metales aparentes son aislantes por razones que no se comprenden bien ". Feng ha estado desconcertado sobre esta pregunta durante al menos cinco años; otros en su equipo, como el colaborador David Mandrus en la Universidad de Tennessee, He pensado en el problema durante más de dos décadas.

Ahora, un nuevo estudio de Feng y colegas, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , ofrece la prueba experimental más clara hasta el momento de una teoría de transición entre metal y aislante propuesta hace 70 años por el físico John Slater. Según esa teoría, magnetismo, que se produce cuando los llamados "espines" de los electrones en un material se organizan de manera ordenada, solo puede impulsar la transición metal-aislante; en otros experimentos previos, Los cambios en la estructura reticular de un material o las interacciones de los electrones en función de sus cargas se han considerado responsables.

"Este es un problema que se remonta a una teoría introducida en 1951, pero hasta ahora ha sido muy difícil encontrar un sistema experimental que realmente demuestre las interacciones espín-espín como la fuerza impulsora debido a factores de confusión, "explica el coautor Thomas Rosenbaum, profesor de física en Caltech, que también es presidente del Instituto y presidente de la presidencia de Sonja y William Davidow.

"Slater propuso que, a medida que baja la temperatura, un estado magnético ordenado evitaría que los electrones fluyan a través del material, "Explica Rosenbaum." Aunque su idea es teóricamente sólida, resulta que para la gran mayoría de los materiales, la forma en que los electrones interactúan entre sí electrónicamente tiene un efecto mucho más fuerte que las interacciones magnéticas, lo que hizo que la tarea de probar el mecanismo de Slater fuera un desafío ".

La investigación ayudará a responder preguntas fundamentales sobre cómo se comportan los diferentes materiales, y también puede tener aplicaciones en tecnología, por ejemplo en el campo de la espintrónica, en el que los espines de los electrones formarían la base de los dispositivos eléctricos en lugar de las cargas de electrones como es rutinario ahora. "Las preguntas fundamentales sobre el metal y los aislantes serán relevantes en la próxima revolución tecnológica, "dice Feng.

Vecinos que interactúan

Típicamente, cuando algo es un buen conductor, como un metal, los electrones pueden girar sin obstáculos en gran medida. En cambio, con aisladores, los electrones se atascan y no pueden viajar libremente. La situación es comparable a las comunidades de personas, explica Feng. Si piensa en los materiales como comunidades y los electrones como miembros de los hogares, luego, "los aisladores son comunidades con personas que no quieren que sus vecinos las visiten porque les hace sentir incómodos". Metales conductores, sin embargo, representan "comunidades unidas, como en un dormitorio universitario, donde los vecinos se visitan libremente y con frecuencia, " él dice.

Igualmente, Feng usa esta metáfora para explicar lo que sucede cuando algunos metales se convierten en aislantes a medida que bajan las temperaturas. "Es como el invierno, en que las personas, o los electrones, se quedan en casa y no salen e interactúan ".

En la década de 1940, El físico Sir Nevill Francis Mott descubrió cómo algunos metales pueden convertirse en aislantes. Su teoría, que ganó el Premio Nobel de Física de 1977, describió cómo "ciertos metales pueden convertirse en aislantes cuando la densidad electrónica disminuye al separar los átomos entre sí de alguna manera conveniente, "según el comunicado de prensa del Premio Nobel. En este caso, la repulsión entre los electrones está detrás de la transición.

En 1951, Slater propuso un mecanismo alternativo basado en interacciones espín-espín, pero esta idea ha sido difícil de probar experimentalmente porque los otros procesos de la transición metal-aislante, incluidos los propuestos por Mott, puede inundar el mecanismo de Slater, lo que dificulta el aislamiento.

Desafíos de los materiales reales

En el nuevo estudio, los investigadores pudieron finalmente demostrar experimentalmente el mecanismo de Slater utilizando un compuesto que se ha estudiado desde 1974, llamado óxido de pirocloro o Cd2Os2O7. Este compuesto no se ve afectado por otros mecanismos de transición metal-aislante. Sin embargo, dentro de este material, el mecanismo de Slater se ve ensombrecido por un desafío experimental imprevisto, es decir, la presencia de "muros de dominio" que dividen el material en secciones.

"Los muros de dominio son como las carreteras o caminos más grandes entre comunidades, "dice Feng. En óxido de pirocloro, las paredes del dominio son conductoras, aunque la mayor parte del material sea aislante. Aunque los muros del dominio comenzaron como un desafío experimental, resultaron ser esenciales para el desarrollo del equipo de un nuevo procedimiento y técnica de medición para probar el mecanismo Slater.

"Los esfuerzos anteriores para probar la teoría de transición del aislante-metal de Slater no tuvieron en cuenta el hecho de que las paredes del dominio estaban enmascarando los efectos impulsados ​​por el magnetismo, "dice Yishu Wang (Ph.D. '18), coautora de la Universidad Johns Hopkins que ha trabajado continuamente en este estudio desde su trabajo de posgrado en Caltech. "Al aislar las paredes del dominio de la mayor parte de los materiales aislantes, pudimos desarrollar una comprensión más completa del mecanismo Slater ". Wang había trabajado anteriormente con Patrick Lee, profesor invitado en Caltech del MIT, para establecer la comprensión básica de las paredes de dominio conductivo utilizando argumentos de simetría, que describen cómo y si los electrones de los materiales responden a los cambios en la dirección de un campo magnético.

"Al desafiar las suposiciones convencionales sobre cómo se realizan las mediciones de conductividad eléctrica en materiales magnéticos a través de argumentos de simetría fundamental, hemos desarrollado nuevas herramientas para sondear dispositivos espintrónicos, muchos de los cuales dependen del transporte a través de las paredes del dominio, "dice Rosenbaum.

"Desarrollamos una metodología para diferenciar la influencia del muro de dominio, y solo entonces podría revelarse el mecanismo de Slater, "dice Feng." Es un poco como descubrir un diamante en bruto ".