研究人员发现莫特绝缘体的导电性存在意想不到的障碍

研究人员发现，他们的理论的关键是一种意想不到的称为双极子的粒子集合，这些粒子是在材料中添加电荷时形成的。图片来源：Mitrović实验室

在凝聚态物理领域，很少有现象能像莫特绝缘体那样吸引物理学家的好奇心。根据传统理论，这类奇怪的材料应该能够导电，但它们大多表现为绝缘体。

更奇怪的是，当添加电子时，该材料实际上可以成为超导体，以零电阻传导电流。然而，无论添加多少电子，它也可以保持绝缘体。几十年来，极端相反的反应一直困扰着科学家，但其中一些谜团可能即将结束。

布朗大学的科学家与国际研究团队合作开发了一种新颖的理论，并通过一系列实验室实验验证了该理论，首次从根本上解释了为什么一种类型的莫特绝缘体即使在添加电子时也顽固地阻止导电。

布朗大学物理系主任兼教授韦斯纳·米特罗维奇(VesnaMitrović)表示：“作为物理学家，这是我们第一次从微观上理解为什么我们所观察到的特定类型的莫特绝缘体从未变成导体。”该大学是这项新研究的合著者。

“这项工作提供了一个真正基本的图景，解释了为什么它可能永远不会用作导体。主要的结论是，该材料可用于其他电子应用，但不能变成导体。”

这项工作在《自然通讯》杂志上有描述，是与博洛尼亚大学、维也纳大学、帕尔马大学、巴黎理工学院、法兰西学院和俄亥俄州立大学的研究人员合作完成的。

这项工作最初是布朗大学和博洛尼亚大学研究人员之间进行的一项不相关的凝聚态物理实验。

该研究的重点是一种称为Ba2Na1–OsO6的莫特绝缘体。这种材料被称为相对论莫特绝缘体，因为它表现出强烈的自旋轨道耦合，在这种状态下，电子彼此之间强烈相互作用，并且它们的自旋与它们在各自轨道上的移动方式密切相关。

从本质上讲，这使得材料偏离了更常见的物理预测，这可能会产生一些特殊的电子行为。正因为如此，这种材料，更广泛地说是整个相对论性莫特绝缘体，已经引起了科学界的广泛关注和投资，以了解和控制其特性。

科学家认为，这种材料与同类材料一样，可以通过添加电子电荷来进出莫特绝缘态。这项新研究解释了莫特绝缘体中以前看不见的粒子如何在量子水平上相互作用，以阻止它变成导体，即使添加了许多额外的电子。

米特罗维奇说：“这种新的认识可以为研究人员节省大量时间、投资和精力，让他们无需尝试不同的方法。”

研究人员发现，关键是一种意想不到的称为双极子的粒子集合，这些粒子是在材料中添加电荷时形成的。通常，电子在金属中均匀分布，但在添加时，一些带电电子会卡在材料的某些位置。

这些被捕获的电子与材料的晶格结构结合在一起，成为双极化子。双极子就像电子的路障，使它们难以移动和导电。

即使当试图通过添加更多电子来克服这个障碍时，双极子也会确保电子继续被卡住并且无法自由移动。最终，这就是使材料保持绝缘体的原因。

这种意想不到的行为让科学家们感到困惑，因为它违背了材料如何响应其电子结构变化的通常理解。这就是为什么这项研究的结果让研究人员感到惊讶，而且考虑到之前从未研究过这种相互作用，该理论的计算花了四年的时间才完成。

“根据我们对当前物理学的理解，这种情况不应该发生，”米特罗维奇说。

研究人员现在希望将他们的新理论和实验技术付诸测试，看看双极子在相对论莫特绝缘体中的分布有多广泛。

米特罗维奇说：“看看是否在任何情况下可以将相对论性莫特绝缘体变成导体，或者这是否真正具有普遍性，这将是很有趣的。”