Isolante di Mott

Gli isolanti di Mott sono una classe di materiali isolanti che sono tali per effetto dell'interazione tra gli elettroni del materiale. Per questi materiali la teoria a bande per elettroni non interagenti predirebbe un comportamento da conduttore elettrico, ma sperimentalmente è stato verificato il comportamento opposto: questo effetto è infatti dovuto all'interazione elettrone-elettrone, che non viene presa in considerazione nella formulazione della convenzionale struttura a bande.

Storia

Benché la teoria a bande dei solidi abbia avuto molti successi nella descrizione delle varie proprietà elettriche dei materiali, nel 1937 Jan Hendrik de Boer e Evert Johannes Willem Verwey posero l'attenzione della comunità scientifica sul fatto che un cospicuo numero di ossidi dei metalli di transizione, dei quali si prevedeva un comportamento da conduttori secondo la teoria a bande, fossero di fatto degli isolanti^[1]. Nevill Mott e R. Peierls in seguito predissero che questa anomalia poteva essere spiegata includendo l'interazione tra gli elettroni^[2].

Nel 1949, in particolare, Mott propose un modello per NiO come un isolante, nel quale la conduzione poteva essere capita tramite la formula^[3]:

(Ni²⁺O^2-)₂ ${\displaystyle \rightarrow }$ Ni³⁺O^2- + Ni¹⁺O^2-

In questa situazione la formazione di un gap di energia che impedisce la conduzione è dovuto alla competizione tra il potenziale Coulombiano U tra gli elettroni dell'orbitale 3d, contro l'integrale di trasferimento t degli elettroni 3d dagli atomi vicini (l'integrale di trasferimento è una parte della approssimazione tight-binding). Il salto totale di energia è quindi:

E_gap = U - 2zt

dove z è il numero di atomi primi vicini.

In generale, un materiale è isolante di Mott quando il potenziale repulsivo Coulombiano U è grande abbastanza da creare un salto di energia.

Una delle più semplici teorie sugli isolanti di Mott è data dal modello di Hubbard.

Applicazioni

Gli isolanti di Mott suscitano un interesse sempre crescente nella ricerca in fisica ed essi non sono stati ancora completamente compresi. Possono avere applicazioni nelle eterostrutture magnetiche a film sottili e per la superconduttività ad alta temperatura^[4].

Note

1. J. H. de Boer e E. J. W. Verwey, "Proceedings of the Physical Society of London" 49, 59 (1937)
2. N. F. Mott e R. Peierls, "Proceedings of the Physical Society of London" 49, 72 (1937)
3. N. F. Mott, "Proceedings of the Physical Society of London" Series A 62, 416 (1949)
4. Simon Foelling, Artur Widera, Torben Mueller, Fabrice Gerbier, Immanuel Bloch, "Formation of spatial shell structures in the superfluid to Mott insulator transition" [1]

Bibliografia

• Nevill F. Mott: Metal-Insulator Transitions. Taylor & Francis, London 1974, ISBN 0850667836.
• C. Stephen Hellberg, Steven C. Erwin: "Strongly Correlated Electrons on a Silicon Surface: Theory of a Mott Insulator"
• Markus Greiner, Olaf Mandel, Tilman Esslinger, Theodor W. Hänsch, Immanuel Bloch: "Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms"
• Z. Y. Meng, T. C. Lang, S. Wessel, F. F. Assaad, A. Muramatsu: "Quantum spin liquid emerging in two-dimensional correlated Dirac fermions"

Voci correlate

• Modello di Hubbard
• Tight binding
• Struttura elettronica a bande

Controllo di autorità	GND (DE) 1031678301 · BNF (FR) cb161007859 (data)

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