¿Qué sucede cuando agregamos electrones libres a un aislante?

Deje a un lado la parte de la batería y piense en lo que obtiene cuando, por ejemplo, inyecta electrones en un bloque de plástico aislante. Se parece a esto:

Eso es un " árbol de vigas ", también conocido como una "figura de Lichtenberg". Está hecho usando un acelerador para depositar electrones en un bloque de plástico. Muchos electrones . Permanecen donde se detuvieron, acumulando carga en el plástico que no se puede mover , hasta que una fuerza mecánica (a menudo un clavo conectado a tierra golpeado por un martillo) en el extremo del "tronco" causa un poco de daño que puede permitir que la carga caiga en cascada. fuera _ Antes de eso, hay mucha repulsión electrostática (es mucha carga), pero no hay movimiento de carga.

A nivel micro, en el plástico puro los electrones se encuentran en un lugar donde no hay estados (accesibles a la energía) que correspondan a poder moverse. Son una perturbación, aparecen como un defecto local, pero no tienen estados de movimiento disponibles, por lo que no pueden moverse. Están atrapados en un paisaje de pequeños bolsillos, sin la energía para salir de su bolsillo local.

Sin embargo, cuando el impacto crea muchos defectos adicionales, el juego cambia. El estrés mecánico del impacto, el calentamiento localizado del movimiento masivo de los cambios, etc. hacen que aparezcan otros posibles estados. Algunos de ellos son energéticamente favorables ("¡Finalmente puedo salir de entre estos átomos a través de ese espacio!") y los electrones se mueven bajo su propio gran potencial.

Esto es algo diferente de la caja de la batería y el circuito, donde está tratando de promover los electrones existentes a través de un campo eléctrico. Pero muestra claramente que el efecto de aislamiento no se debe a la falta de electrones móviles: incluso los electrones "libres" adicionales no pueden moverse.

Más formalmente, esto se llama la "localización" de los electrones: se han atrapado. En materiales cristalinos puros (es decir, geométricamente perfectos), la teoría general se remonta al artículo de 1964 " Teoría del estado aislante " de W. Kohn.

En este trabajo se desarrolla una caracterización nueva y más completa del estado aislante de la materia. Esta caracterización incluye tanto los aisladores convencionales con brecha de energía como los sistemas discutidos por Mott que, en teoría de bandas, serían metales. La propiedad esencial es esta: cada función de onda baja 4 de un anillo aislante se descompone en una suma de funciones,$\Phi = \Sigma \Phi_M$, que se localizan en regiones desconectadas del espacio de configuración de muchas partículas y tienen una superposición esencialmente nula. Esta propiedad es análoga a la localización de una sola partícula y conduce directamente a las propiedades eléctricas características de los aisladores. Un apéndice trata de un modelo soluble que muestra una transición entre un estado aislante y uno conductor.

El proceso de localización es espacial, no energético. Es posible verlo a través de la estructura de energía y momento, pero esa no es la forma más clara.

La "localización" como causa del comportamiento aislante aparece en los materiales aislantes. (Hay algunos aisladores especializados que se han deslocalizado, es decir, funciones de onda ampliamente extendidas y/o superpuestas, pero son casos realmente exóticos) Desde el documento de 1964, se ha trabajado mucho en diferentes formas de aisladores, localización debido a defectos, impurezas, etc., pero la idea de "localización, es decir, funciones de onda contenidas localmente, evitando el movimiento de carga" sigue siendo un paradigma clave.