Gracias a los electrones atrapados, un material que se esperaba fuera un metal conductor sigue siendo un aislante

14 de julio de 2023

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por el Departamento de Energía de EE. UU.

Una nueva investigación arroja luz sobre el mecanismo detrás de cómo un material especial pasa de ser un metal conductor de electricidad a un aislante eléctrico. Los investigadores estudiaron el óxido de lantano, estroncio y níquel (La1.67Sr0.33NiO4) derivado de un material cuántico La2NiO4. Los materiales cuánticos tienen propiedades inusuales que resultan de cómo interactúan sus electrones. Por debajo de una temperatura crítica, el material dopado con estroncio es un aislante. Esto se debe a la separación de los agujeros introducidos de las regiones magnéticas, formando "franjas". A medida que aumenta la temperatura, estas franjas fluctúan y se derriten a 240 K. A esta temperatura, los investigadores esperaban que el material se convirtiera en un metal conductor. En cambio, sigue siendo un material aislante. La dispersión de neutrones arroja luz sobre este intrigante fenómeno. Los resultados indican que el material sigue siendo un aislante debido a ciertas vibraciones atómicas que atrapan los electrones e impiden así la conducción eléctrica.

Los materiales cuánticos tienen propiedades que no son predichas por las partes que los componen. Por ejemplo, pueden pasar de metales a aislantes o actuar como superconductores. Son tremendamente prometedores para aplicaciones en ciencia y tecnología. Esta investigación describe la sintonizabilidad de la interacción electrón-fonón en la transición metal-aislante en un material cuántico. Los resultados ayudarán a validar modelos teóricos de materiales que tienen electrones que interactúan fuertemente. Estas teorías ayudarán a los científicos a diseñar nuevos materiales cuánticos para tecnologías futuras.

En los metales, los electrones pueden considerarse como partículas libres que vuelan a lo largo de trayectorias impuestas por la estructura cristalina. En las últimas décadas, los científicos han descubierto nuevos materiales en los que los electrones se repelen fuertemente y rebotan en las vibraciones atómicas del cristal anfitrión. Estos materiales presentan propiedades inusuales y tecnológicamente útiles. Estas propiedades pueden incluir una caída dramática de la resistencia eléctrica en los campos magnéticos, conducción de electrones solo en la superficie y superconductividad a alta temperatura. Comprender estas propiedades en diferentes materiales sigue siendo un gran desafío para la comunidad científica.

Este trabajo utilizó haces de neutrones de alta intensidad en la Fuente de Neutrones Spallation, una instalación del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), para mirar profundamente dentro de un material cuántico arquetípico La2NiO4 en el que se reemplaza una sexta parte de los átomos de lantano (La). con átomos de estroncio (Sr) (La1.67Sr0.33NiO4). El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Colorado Boulder, ORNL, el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente en Japón. Estos materiales son aislantes a bajas temperaturas debido al llamado orden de "rayas", que resulta de la compleja interacción entre los espines electrónicos y los agujeros introducidos por el dopaje con estroncio. Se espera que el material dopado se vuelva metálico por encima de los 240 K cuando las rayas se fundan. Sin embargo, el material sigue siendo aislante. La colaboración descubrió una fuerte fricción entre los agujeros y ciertas vibraciones de los iones de oxígeno y encontró evidencia de esta interacción en otros materiales de estructura similar. El mecanismo microscópico podría allanar el camino para el diseño de nuevos materiales con propiedades inusuales útiles para diversas tecnologías cuánticas.

Más información: AM Merritt et al, Acoplamiento gigante electrón-fonón de los fonones de oxígeno del plano respiratorio en la fase de banda dinámica de La1.67Sr0.33NiO4, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-67963-x

Información de la revista:Informes Científicos

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.