Una quasiparticella risolve il mistero della conducibilità che scompare
Il team del CAU rileva per la prima volta i polaroni in un composto di terre rare
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Gli elettroni determinano le proprietà di tutti i materiali: decidono se un metallo conduce l'elettricità, come funziona un semiconduttore o quali effetti magnetici si verificano. In alcuni materiali, gli elettroni si comportano in modo particolarmente insolito: passano da uno stato all'altro, si influenzano fortemente l'un l'altro e possono persino far sì che un metallo diventi improvvisamente un isolante - una sostanza che non conduce più elettricità.
Un team internazionale guidato dal dottor Chul-Hee Min e dal professor Kai Rossnagel dell'Università di Kiel (CAU) ha ora decifrato un meccanismo cruciale. In un composto di tulio, selenio e tellurio (TmSe₁₋ₓTeₓ), i ricercatori hanno studiato un materiale basato su un metallo delle terre rare (il tulio). Questi metalli hanno particolari proprietà elettroniche che vengono utilizzate in molte tecnologie chiave.
Il team ha scoperto una quasiparticella precedentemente sconosciuta nel materiale. Essa è creata dall'interazione tra elettroni e atomi e spiega perché il materiale cambia le sue proprietà elettriche. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Physical Review Letters.
Quando i metalli diventano improvvisamente isolanti
Se la percentuale di tellurio nel composto TmSe₁₋ₓTeₓ aumenta fino a circa il 30%, il materiale smette di condurre elettricità e si trasforma da semimetallo a isolante. Queste transizioni affascinano i fisici perché dimostrano che le proprietà di un materiale non possono essere spiegate solo dalla sua composizione chimica. Gli elettroni si influenzano fortemente l'un l'altro, si accoppiano alle vibrazioni del reticolo cristallino - la rete regolare di atomi nel solido - e insieme formano stati simili a particelle con nuove proprietà, le cosiddette quasiparticelle.
Per comprendere questi processi, i ricercatori hanno analizzato il materiale a livello atomico. Hanno effettuato le misurazioni utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad alta risoluzione presso diverse sorgenti di radiazione di sincrotrone in tutto il mondo, tra cui il Ruprecht Haensel Laboratory, una struttura congiunta dell'Università di Kiel e del sincrotrone elettronico tedesco DESY. Hanno irradiato il campione con intensi raggi X e misurato gli angoli di uscita e le energie degli elettroni. Gli spettri mostrano quanto fortemente gli elettroni sono legati in certi stati e forniscono informazioni sui processi di interazione sottostanti.
Scoperta dei polaroni
Le misure spettroscopiche hanno rivelato nuovi dettagli sul movimento degli elettroni nel materiale: continuava a comparire un piccolo segnale aggiuntivo, che sembrava una piccola protuberanza accanto al segnale principale. All'inizio i ricercatori hanno pensato che si trattasse di una sfocatura tecnica, ma il segnale è apparso anche in misurazioni ripetute. Questo fenomeno ricorrente ha spinto il team di Kiel a studiare sistematicamente la storia e il comportamento del materiale per un periodo di anni, alla ricerca di indizi che hanno portato alla scoperta delle quasiparticelle.
Il primo autore, il dottor Chul-Hee Min, ha iniziato la ricerca sul TmSe₁₋ₓTeₓ nel 2015. Inizialmente era alla ricerca di stati topologici di superficie, in seguito si è concentrato sul comportamento elettronico all'interno del materiale. Per molto tempo, il segnale aggiuntivo accanto al picco principale è rimasto un mistero irrisolto.
Solo dopo anni di analisi e di stretta collaborazione con teorici internazionali, il team ha identificato la causa: il segnale proveniva dai polaroni, quasiparticelle in cui un elettrone è strettamente accoppiato alle vibrazioni del reticolo cristallino. L'elettrone si muove insieme alla distorsione degli atomi e forma così una nuova particella composita. Nella loro ricerca, gli scienziati hanno utilizzato il modello periodico di Anderson, un modello teorico che descrive come gli elettroni interagiscono tra loro in questi metalli. Estendendo il modello per includere l'accoppiamento degli elettroni alle vibrazioni del reticolo cristallino, sono riusciti a spiegare con precisione le misurazioni spettroscopiche. "È stato il passo decisivo", spiega Min. "Non appena abbiamo incluso questa interazione nei calcoli, la simulazione e le misure si sono adattate perfettamente".
Polaroni: la danza di elettroni e atomi
Un polarone può essere descritto come una sorta di "danza" tra un elettrone e gli atomi che lo circondano. Nei metalli ordinari, gli elettroni scorrono quasi liberamente. In questo materiale, invece, si muovono insieme a strati atomici leggermente distorti, paragonabili a un'ammaccatura che attraversa il reticolo cristallino. Questo accoppiamento rallenta gli elettroni, modifica la conduttività elettrica e spiega la transizione verso un isolante.
"Nei materiali quantistici come il TmSe₁₋ₓTeₓ, le cui proprietà esotiche derivano dalle proprietà quantomeccaniche dei loro elettroni, questo effetto non è ancora stato dimostrato sperimentalmente", afferma il professor Kai Rossnagel, direttore dell'Istituto di Fisica Sperimentale e Applicata (IEAP) dell'Università di Kiel e portavoce della ricerca KiNSIS - Kiel Nano, Surface and Interface Science. "Il fatto che siamo riusciti a visualizzarlo qui per la prima volta dimostra quali nuovi interessanti fenomeni si possono ancora scoprire nel cosmo quantistico dei materiali".
Potenziale per la microelettronica e la tecnologia quantistica I risultati hanno un impatto che va oltre il materiale in esame. Effetti di accoppiamento simili si verificano in molti materiali quantistici moderni, dai superconduttori ad alta temperatura ai materiali 2D. In futuro, i ricercatori potrebbero utilizzare i polaroni in modo mirato per controllare le proprietà elettroniche, ottiche o magnetiche dei materiali o per creare stati della materia completamente nuovi.
"Queste scoperte spesso nascono da una ricerca di base persistente", afferma Rossnagel. "Ma sono proprio quelle che possono portare a nuove tecnologie nel lungo termine".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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