Ce qui est encore plus bizarre, c'est que lorsque des électrons sont ajoutés, le matériau peut en réalité devenir un supraconducteur, conduisant un courant électrique avec une résistance nulle. Cependant, il peut également rester isolant, quel que soit le nombre d’électrons ajoutés. Les réactions extrêmement opposées ont intrigué les scientifiques pendant des décennies, mais certains de ces mystères touchent peut-être à leur fin.

Des scientifiques de l'Université Brown, travaillant avec une équipe internationale de chercheurs, ont développé une nouvelle théorie, qu'ils ont vérifiée par une série d'expériences en laboratoire, pour expliquer fondamentalement pour la première fois pourquoi un type d'isolant Mott résiste obstinément à conduire l'électricité même lorsque des électrons sont ajoutés.

"C'est la première fois que nous, physiciens, comprenons au microscope pourquoi le type spécifique d'isolant Mott que nous avons examiné n'a jamais été transformé en conducteur", a déclaré Vesna Mitrović, directrice du département de physique de Brown et professeure, qui dirige un groupe de résonance magnétique de matière condensée à l'Université et est co-auteur de la nouvelle étude.

"Ce travail donne une idée vraiment fondamentale des raisons pour lesquelles il ne fonctionnera peut-être jamais en tant que conducteur. Le principal point à retenir est que le matériau est utile pour d'autres applications électroniques, mais pas pour se transformer en conducteur."

Le travail est décrit dans Nature Communications et a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Bologne, de l'Université de Vienne, de l'Université de Parme, de l'Institut Polytechnique de Paris, du Collège de France et de l'Ohio State University.

Le travail a commencé comme une expérience indépendante de physique de la matière condensée entre des chercheurs de Brown et de l'Université de Bologne.

L'étude s'est concentrée sur un type d'isolant Mott appelé Ba₂ Na₁ –OsO₆ . Le matériau est ce que l'on appelle un isolant Mott relativiste car il présente un fort couplage spin-orbite, un état dans lequel les électrons interagissent fortement les uns avec les autres et leur spin est fortement lié à la façon dont ils se déplacent sur leurs orbites individuelles.

Essentiellement, cela fait que le matériau s’écarte des prédictions physiques plus courantes, ce qui peut créer un comportement électronique particulier. Pour cette raison, ce matériau, et plus généralement toute la classe des isolants relativistes de Mott, a suscité une attention et un investissement considérables de la part de la communauté scientifique pour comprendre et contrôler ses propriétés.

Les scientifiques pensent que le matériau, comme d’autres de sa classe, peut entrer et sortir de l’état isolant Mott en ajoutant une charge avec des électrons. La nouvelle étude explique comment des particules inédites dans cet isolant Mott interagissent au niveau quantique pour l'empêcher de se transformer en conducteur même lorsque de nombreux électrons supplémentaires sont ajoutés.

"Cette nouvelle compréhension pourrait permettre aux chercheurs d'économiser beaucoup de temps, d'investissement et d'efforts en essayant différentes méthodes", a déclaré Mitrović.

Les chercheurs ont découvert que la clé réside dans un ensemble inattendu de particules appelées bipolarons, qui se forment lorsqu’une charge électronique est ajoutée au matériau. Habituellement, les électrons se répartissent uniformément dans un métal, mais ici, certains des électrons chargés restent coincés à certains endroits du matériau lorsqu'ils sont ajoutés.

Ces électrons piégés sont ce qui s'associe à la structure en treillis du matériau pour devenir des bipolarons. Les bipolarons agissent alors comme des barrages routiers pour les électrons, rendant difficile leur déplacement et la conduite de l'électricité.

Même lorsqu’ils tentent de surmonter cet obstacle en ajoutant encore plus d’électrons, les bipolarons veillent à ce que les électrons restent bloqués et incapables de se déplacer librement. En fin de compte, c'est ce qui fait du matériau un isolant.

Ce comportement inattendu a intrigué les scientifiques car il va à l'encontre de la compréhension habituelle de la façon dont les matériaux réagissent aux changements dans leur structure électronique. C'est pourquoi les résultats de l'étude ont surpris les chercheurs et les calculs théoriques ont pris quatre ans, étant donné que les interactions n'avaient jamais été étudiées auparavant.

"D'après notre compréhension de la physique actuelle, cela ne devrait pas arriver", a déclaré Mitrović.

Les chercheurs espèrent maintenant mettre à l'épreuve leur nouvelle théorie et leurs nouvelles techniques d'expérimentation et voir à quel point les bipolarons sont répandus dans les isolants relativistes de Mott.

"Il sera intéressant de voir s'il existe des circonstances dans lesquelles vous pouvez transformer un isolant Mott relativiste en conducteur ou si cela est vraiment universel", a déclaré Mitrović.