Os fasicos desenvolveram teorias para explicar essa chamada transia§a£o metal-isolante, mas os mecanismos por trás das transia§aµes nem sempre são claros.
Uma ilustração de dois domanios (azul e laranja) divididos por uma parede de domanio (área branca) em um material. A ordem magnanãtica édesignada por setas organizadas (spins de elanãtrons) enquanto as cores representam dois domanios diferentes (mas a mesma ordem magnanãtica). No material retratado aqui, as paredes do domanio são condutoras e os domanios são isolantes. Crédito: Yejun Fang
Como todos os metais, prata, cobre e ouro são condutores. Os elanãtrons fluem atravanãs deles, carregando calor e eletricidade. Embora o ouro seja um bom condutor sob quaisquer condições, alguns materiais tem a propriedade de se comportar como condutores de metal apenas se as temperaturas forem altas o suficiente; em baixas temperaturas, eles agem como isolantes e não fazem um bom trabalho no transporte de eletricidade. Em outras palavras, esses materiais incomuns va£o de atuar como um pedaço de ouro para atuar como um pedaço de madeira conforme as temperaturas diminuem. Os fasicos desenvolveram teorias para explicar essa chamada transição metal-isolante, mas os mecanismos por trás das transições nem sempre são claros.
"Em alguns casos, não éfa¡cil prever se um material éum metal ou um isolante", explica Caltech, associado visitante Yejun Feng, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Graduação de Okinawa. "Os metais são sempre bons condutores, não importa o que acontea§a, mas alguns outros chamados metais aparentes são isolantes por razões que não são bem compreendidas." Feng estãointrigado com essa questãoha¡ pelo menos cinco anos; outros em sua equipe, como o colaborador David Mandrus, da Universidade do Tennessee, pensam no problema hámais de duas décadas.
Agora, um novo estudo de Feng e colegas, publicado na Nature Communications , oferece a prova experimental mais limpa de uma teoria de transição metal-isolante proposta 70 anos atrás pelo fasico John Slater. De acordo com essa teoria, o magnetismo, que resulta quando os chamados "spins" de elanãtrons em um material são organizados de maneira ordenada, pode apenas conduzir a transição metal-isolante; em outros experimentos anteriores, asmudanças na estrutura da rede de um material ou as interações eletra´nicas com base em suas cargas foram consideradas responsa¡veis.
"Este éum problema que remonta a uma teoria introduzida em 1951, mas atéagora tem sido muito difacil encontrar um sistema experimental que realmente demonstre as interações spin-spin como a força motriz devido a fatores de confusão", explica o coautor. Thomas Rosenbaum, professor de física na Caltech, que também éo presidente do Instituto e a cadeira presidencial Sonja e William Davidow.
"Slater propa´s que, conforme a temperatura baixasse, um estado magnético ordenado impediria que os elanãtrons fluassem atravanãs do material", explica Rosenbaum. "Embora sua ideia seja teoricamente correta, parece que para a grande maioria dos materiais, a maneira como os elanãtrons interagem entre si eletronicamente tem um efeito muito mais forte do que as interações magnanãticas, o que tornou a tarefa de provar o mecanismo de Slater desafiadora."
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A pesquisa ajudara¡ a responder questões fundamentais sobre como diferentes materiais se comportam, e também pode ter aplicações em tecnologia, por exemplo no campo da spintra´nica, em que os spins dos elanãtrons formariam a base de dispositivos elanãtricos em vez das cargas de elanãtrons como érotina agora. “As questões fundamentais sobre metal e isoladores sera£o relevantes na próxima revolução tecnologiicaâ€, diz Feng.
Vizinhos interagindo
Normalmente, quando algo éum bom condutor, como um metal, os elanãtrons podem se mover livremente. Por outro lado, com isoladores, os elanãtrons ficam presos e não podem viajar livremente. A situação écompara¡vel a comunidades de pessoas, explica Feng. Se vocêpensar em materiais como comunidades e elanãtrons como membros das famalias, então "isolantes são comunidades com pessoas que não querem que seus vizinhos visitem porque isso os deixa desconforta¡veis". Metais condutores, no entanto, representam "comunidades muito unidas, como em um dormita³rio de faculdade, onde os vizinhos se visitam livre e frequentemente", diz ele.
Da mesma forma, Feng usa essa meta¡fora para explicar o que acontece quando alguns metais se tornam isolantes a medida que as temperaturas caem. "a‰ como o inverno, em que as pessoas - ou os elanãtrons - ficam em casa e não saem e interagem."
Na década de 1940, o fasico Sir Nevill Francis Mott descobriu como alguns metais podem se tornar isolantes. Sua teoria, que ganhou o Praªmio Nobel de Fasica em 1977, descreveu como "certos metais podem se tornar isolantes quando a densidade eletra´nica diminui, separando os a¡tomos uns dos outros de uma maneira conveniente", de acordo com o comunicado a imprensa do Praªmio Nobel. Nesse caso, a repulsão entre os elanãtrons estãopor trás da transição.
Em 1951, Slater propa´s um mecanismo alternativo baseado em interações spin-spin, mas essa ideia tem sido difacil de provar experimentalmente porque os outros processos de transição metal-isolante, incluindo aqueles propostos por Mott, podem inundar o mecanismo de Slater, tornando-o difacil isolar.
Desafios de materiais reais
No novo estudo, os pesquisadores conseguiram finalmente demonstrar experimentalmente o mecanismo de Slater usando um composto que vem sendo estudado desde 1974, chamado a³xido de pirocloro ou Cd2Os2O7. Este composto não éafetado por outros mecanismos de transição metal-isolante. No entanto, dentro deste material, o mecanismo de Slater éofuscado por um desafio experimental imprevisto, a saber, a presença de " paredes de domanio " que dividem o material em seções.
“As paredes do domanio são como rodovias ou estradas maiores entre as comunidadesâ€, diz Feng. No a³xido de pirocloro, as paredes do domanio são condutoras, embora a maior parte do material seja isolante. Embora as paredes de domanio tenham comea§ado como um desafio experimental, elas se mostraram essenciais para o desenvolvimento da equipe de um novo procedimento de medição e técnica para provar o mecanismo de Slater.
"Esfora§os anteriores para provar a teoria de transição de metal-isolador de Slater não levaram em conta o fato de que as paredes do domanio estavam mascarando os efeitos impulsionados pelo magnetismo", disse Yishu Wang (Ph.D. '18), um coautor do Johns Hopkins University, que tem trabalhado continuamente neste estudo desde seu trabalho de graduação na Caltech. "Ao isolar as paredes do domanio da maior parte dos materiais isolantes, fomos capazes de desenvolver uma compreensão mais completa do mecanismo de Slater." Wang já havia trabalhado com Patrick Lee, um professor visitante da Caltech do MIT, para estabelecer o entendimento ba¡sico das paredes de domanio condutor usando argumentos de simetria, que descrevem como e se os elanãtrons nos materiais respondem a smudanças na direção de um campo magnanãtico.
"Desafiando as suposições convencionais sobre como as medições de condutividade elanãtrica são feitas em materiais magnanãticos por meio de argumentos de simetria fundamentais, desenvolvemos novas ferramentas para sondar dispositivos spintra´nicos, muitos dos quais dependem do transporte atravanãs das paredes do domanio", disse Rosenbaum.
"Desenvolvemos uma metodologia para separar a influaªncia da parede de domanio e são então o mecanismo de Slater poderia ser revelado", diz Feng. "a‰ um pouco como descobrir um diamante bruto."