La transición de Mott es una de las manifestaciones más dramáticas de las correlaciones entre electrones. Un aislante de Mott es un sistema que por teoría de bandas convencional se esperaría que fuera metálico y sin embargo es aislante debido a la fuerte repulsión entre los electrones. Los electrones se localizan, perdiendo su carácter itinerante y las fluctuaciones de carga se anulan. La física de Mott se ha estudiado ampliamente en sistemas con un orbital y muy especialmente dentro del contexto de los superconductores de alta temperatura basados en cobre. Cuando el orbital se encuentra a llenado mitad las interacciones son capaces de inducir una transición metal aislante. Al cambiar el llenado electrónico, es decir al dopar el sistema con electrones o huecos, se recupera la metalicidad pero el sistema sigue manteniendo fuertes correlaciones, evitando en lo posible las configuraciones que implican doble ocupación del orbital. Una forma de medir la importancia de las correlaciones es mediante el peso de cuasipartícula Z, que vale 1 en el metal sin interacción, se ve reducido por las correlaciones y se anula en el aislante de Mott. En los cupratos la superconductividad de alta temperatura aparece al dopar un compuesto padre que es un aislante de Mott con orden antiferromagnético.
En los últimos años, especialmente desde el descubrimiento de los superconductores de hierro, se ha visto que el acoplo Hund influye de forma importante en las correlaciones. El acoplo Hund está detrás de las llamadas reglas de Hund, por las cuales se maximiza el spin de los electrones en una capa atómica semillena. Hund modifica el valor de la interacción a la cual se produce la transición de Mott, lo que ocurre no sólo a llenado mitad (un electrón por cada orbital) sino para todos los llenados atómicos enteros. Pero además en un amplio rango de interacciones y dopaje da lugar a un estado metálico muy correlacionado llamado metal de Hund. Los superconductores de hierro son metales de Hund.
Hasta ahora existía una importante controversia sobre la naturaleza de las correlaciones en un metal de Hund y su relación con la física de Mott. Algunos estudios apuntaban a que los metales de Hund son sistemas fuertemente correlacionados que no están en proximidad a un aislante de Mott y que tienen propiedades esencialmente diferentes a las de los aislantes de Mott dopados. Por el contrario otros estudios relacionaban las correlaciones observadas con la proximidad al aislante de Mott a llenado mitad. De hecho algunos trabajos describen los superconductores de hierro, que alojan 6 electrones en 5 orbitales, como aislantes de Mott dopados.
En este trabajo hemos clarificado la relación existente entre los metales de Hund y los aislantes de Mott. Entre otras propiedades hemos visto que (i) la reducción del peso de cuasipartícula Z está directamente relacionada a la transición de Mott a llenado mitad. Esto es debido a que ambos procesos tienen el mismo origen: el coste energético que supone ocupar doblemente un orbital; (ii) al entrar el sistema en el metal de Hund y suprimirse Z las fluctuaciones de spin aumentan porque se forman momentos atómicos (iii) de forma sorprendente en algunos casos la supresión de la cuasipartícula se produce a pesar de que las fluctuaciones de carga aumentan, es decir, contrario a lo que sucede en Mott el sistema es más correlacionado pero a la vez más metálico.
Peso de cuasipartícula Z de un sistema con seis electrones en cinco orbitales, el llenado de los superconductores de hierro no dopados, en función de las repulsión intraorbital U y del acoplo Hund JH. W es la anchura de la banda. Leni Bascones (ICMM-CSIC)
L. Fanfarillo and E. Bascones. Electronic correlations in multiorbital systems and iron superconductors: Hund vs Mott.
Theory of Quantum Effects and Correlations in Novel Materials and Nanostructures (ICMM-CSIC).