Lo que es aún más extraño es que cuando se añaden electrones, el material puede convertirse en un superconductor, conduciendo una corriente eléctrica con resistencia cero. Sin embargo, también puede seguir siendo un aislante sin importar cuántos electrones se agreguen. Las reacciones extremas opuestas han desconcertado a los científicos durante décadas, pero algunos de esos misterios pueden estar llegando a su fin.

Científicos de la Universidad de Brown, en colaboración con un equipo internacional de investigadores, han desarrollado una teoría novedosa, que verificaron mediante una serie de experimentos de laboratorio, para explicar fundamentalmente por primera vez por qué un tipo de aislante Mott se resiste obstinadamente a conducir electricidad incluso cuando se añaden electrones.

"Es la primera vez que nosotros, como físicos, entendemos microscópicamente por qué el tipo específico de aislante Mott que observamos nunca se ha convertido en un conductor", dijo la profesora y directora del departamento de física de Brown, Vesna Mitrović, que dirige un grupo de resonancia magnética de materia condensada en la Universidad y es coautor del nuevo estudio.

"El trabajo proporciona una imagen realmente fundamental de por qué es posible que nunca funcione como director de orquesta. La conclusión principal es que el material es útil para otras aplicaciones electrónicas, pero no para convertirse en director de orquesta".

El trabajo se describe en Nature Communications. y se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Bolonia, la Universidad de Viena, la Universidad de Parma, el Instituto Politécnico de París, el Collège de France y la Universidad Estatal de Ohio.

El trabajo comenzó como un experimento de física de materia condensada no relacionado entre investigadores de Brown y la Universidad de Bolonia.

El estudio se centró en un tipo de aislante Mott llamado Ba₂ No₁ –OsO₆ . El material es lo que se conoce como un aislante Mott relativista porque exhibe un fuerte acoplamiento espín-órbita, un estado en el que los electrones interactúan fuertemente entre sí y su espín está muy entrelazado con la forma en que se mueven en sus órbitas individuales.

Básicamente, esto hace que el material se desvíe de las predicciones físicas más comunes, lo que puede crear algún comportamiento electrónico especial. Debido a esto, el material, y en general toda la clase de aisladores relativistas de Mott, ha atraído considerable atención e inversión por parte de la comunidad científica para comprender y controlar sus propiedades.

Los científicos creen que el material, como otros de su clase, puede entrar y salir del estado aislante de Mott agregando carga con electrones. El nuevo estudio explica cómo las partículas nunca antes vistas en este aislante de Mott interactúan a nivel cuántico para evitar que se convierta en un conductor incluso cuando se añaden muchos electrones adicionales.

"Esta nueva comprensión podría ahorrar a los investigadores mucho tiempo, inversión y esfuerzo al probar diferentes métodos", afirmó Mitrović.

Los investigadores encontraron que la clave es una colección inesperada de partículas llamadas bipolarones que se forman cuando se agrega carga electrónica al material. Por lo general, los electrones se distribuyen uniformemente en un metal, pero aquí algunos de los electrones cargados quedan atrapados en ciertos puntos del material cuando se agregan.

Estos electrones atrapados son los que se unen a la estructura reticular del material para convertirse en bipolarones. Los bipolarones actúan entonces como obstáculos para los electrones, dificultándoles moverse y conducir electricidad.

Incluso cuando se intenta superar este obstáculo añadiendo aún más electrones, los bipolarones se aseguran de que los electrones sigan atascados y no puedan moverse libremente. En última instancia, esto es lo que mantiene al material como aislante.

Este comportamiento inesperado desconcertó a los científicos porque va en contra de la comprensión habitual de cómo responden los materiales a los cambios en su estructura electrónica. Es por eso que los resultados del estudio tomaron a los investigadores por sorpresa y los cálculos de la teoría tardaron cuatro años en realizarse, dado que las interacciones no se habían estudiado antes.

"Según nuestra comprensión de la física actual, esto no debería suceder", afirmó Mitrović.

Los investigadores ahora esperan poner a prueba su nueva teoría y técnicas de experimentación y ver qué tan extendidos están los bipolarones en los aisladores relativistas de Mott.

"Será interesante ver si hay alguna circunstancia en la que se pueda convertir un aislante relativista de Mott en conductor o si esto es verdaderamente universal", dijo Mitrović.