研究人員發現，他們理論的關鍵是一組意想不到的粒子，稱爲雙極化子，當電子電荷添加到材料中時，就會形成雙極化子。圖片來源：米特羅維奇實驗室
在凝聚態物理學領域，很少有現象能像莫特絕緣體那樣吸引物理學家的好奇心。根據傳統理論，這種奇怪的材料應該能夠導電，但它們主要表現爲絕緣體。
更奇怪的是，當添加電子時，這種材料實際上可以變成超導體，以零電阻傳導電流。然而，無論添加多少電子，它也可以保持絕緣體。幾十年來，極端相反的反應一直困擾著科學家們，但其中一些謎團可能即將結束。
布朗大學的科學家與一個國際研究團隊合作，開發了一種新理論，他們通過一系列實驗室實驗驗證了這一理論，首次從根本上解釋了爲什麽一種類型的莫特絕緣體即使在添加電子時也會頑固地抵抗導電。
“這是我們作爲物理學家第一次從微觀上理解爲什麽我們看到的特定類型的莫特絕緣體從未變成導體，”布朗物理系主任和教授Vesna Mitrović說，他領導著大學的一個凝聚態磁共振小組，並且是這項新研究的合著者。
“這部作品提供了一個非常基本的畫面，說明爲什麽它可能永遠無法作爲指揮家工作。主要的收獲是，這種材料對其他電子應用很有用，但不能變成導體。
這項工作在《自然通訊》上進行了描述，並與博洛尼亞大學、維也納大學、帕爾馬大學、巴黎理工學院、法蘭西學院和俄亥俄州立大學的研究人員合作完成。
這項工作始于布朗大學和博洛尼亞大學的研究人員之間的一個不相關的凝聚態物理實驗。
該研究的重點是一種名爲Ba的莫特絕緣體2那1–奧索6.這種材料被稱爲相對論性莫特絕緣體，因爲它表現出強烈的自旋軌道耦合，在這種狀態下，電子彼此之間強烈相互作用，並且它們的自旋與它們在各自軌道上的移動方式密切相關。
從本質上講，這使得材料偏離了更常見的物理預測，這可能會産生一些特殊的電子行爲。正因爲如此，這種材料，以及更普遍的相對論性莫特絕緣體的整個類別，已經引起了科學界的相當大的關注和投資，以了解和控制其特性。
科學家們認爲，這種材料與同類材料一樣，可以通過添加電子電荷來進出莫特絕緣態。這項新研究解釋了這種莫特絕緣體中以前看不見的粒子如何在量子水平上相互作用，以阻止它變成導體，即使添加了許多額外的電子。
“這種新的理解可以爲研究人員節省大量時間，投資和精力，以嘗試不同的方法，”米特羅維奇說。
研究人員發現，關鍵是一組意想不到的粒子，稱爲雙極化子，當電子電荷添加到材料中時會形成這些粒子。通常，電子在金屬中均勻分布，但在這裏，一些帶電電子在添加時會卡在材料的某些位置。
這些被俘的電子與材料的晶格結構結合在一起成爲雙極化子。然後，雙極子就像電子的路障一樣，使它們難以四處移動和導電。
即使試圖通過添加更多的電子來克服這個障礙，雙極化子也會確保電子不斷卡住並且無法自由移動。歸根結底，這就是使材料保持絕緣體的原因。
這種出乎意料的行爲讓科學家們感到困惑，因爲它違背了對材料如何響應其電子結構變化的通常理解。這就是爲什麽這項研究的結果讓研究人員感到驚訝，並且該理論的計算花了四年時間才完成，因爲以前從未研究過這種相互作用。
“根據我們對當前物理學的理解，這不應該發生，”米特羅維奇說。
研究人員現在希望將他們的新理論和實驗技術付諸實踐，看看雙極子在相對論莫特絕緣體中的分布情況。
“看看是否有任何情況可以將相對論性莫特絕緣體變成導體，或者這真的是普遍的，這將是很有趣的，”米特羅維奇說。
更多信息：Lorenzo Celiberti 等人，自旋軌道 Jahn-Teller 雙極化子，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-46621-0
期刊信息： Nature Communications
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