研究揭示了奇異絕緣材料中的新型量子態

布朗大學的研究人員已經通過實驗證明了在一種叫做莫特絕緣體的奇怪材料中是如何產生一種獨特的磁性形式的。這些發現是朝著更好地理解這些材料的量子態邁出的一步，這些材料近年來引起了科學家的極大興趣。

該研究發表于Nature Communications，有助于確認新的理論工作，試圖解釋電子在這些奇怪材料中的表現。這項工作是與斯坦福大學和國家高磁場實驗室的科學家合作完成的。

“我們發現這個理論很有道理，”領導這項工作的布朗物理學副教授VesnaMitrovi?說。“這表明這一新理論基于涉及復雜電子自旋相互作用的量子模型，是理解強相互作用材料中磁性的良好開端。”

莫特絕緣體是根據傳統的導電理論應該是導體的材料，但仍然充當絕緣體。產生絕緣狀態是因為這些材料中的電子強相關并相互排斥。這種動態產生了一種電子交通堵塞，防止粒子流動形成電流。科學家們希望他們能找到將這些材料移入和移出莫特絕緣狀態的方法，這對于開發新型功能器件非常有用。人們還發現，通過在其結構中引入雜質，一些莫特絕緣體成為高溫超導體 - 在遠高于超導通常所需溫度的溫度下無電阻導電的材料。

盡管有這些材料的前景，科學家仍然不完全了解它們的工作原理。這些材料中電子態的完整描述一直難以捉摸。在最基本的層面上，每個單獨的電子的特征在于其電荷和自旋，其微小的磁矩指向上或下。很難預測莫特絕緣體中的電子特性，因為電子的狀態彼此密切相關 - 一個電子的狀態影響其鄰居的狀態。

更為復雜的是，許多莫特絕緣體表現出所謂的自旋軌道耦合，這意味著每個電子的自旋隨著原子核軌道運動而發生變化。自旋 - 軌道耦合意味著電子的磁矩受其繞原子核軌道運動的影響，因此電子的自旋沒有很好地定義。因此，預測這些材料的性質需要知道電子之間的相互作用，而單個電子的基本性質取決于它們的軌道運動。

“當你有這些復雜的相互作用加上自旋耦合時，理論上描述它就變得非常復雜，”Mitrovi?說。“然而，我們需要這樣的基礎量子理論能夠預測復雜材料的新型量子特性并利用它們。”

Mitrovi?的研究主要集中在一種奇怪的磁性，當具有強自旋軌道耦合的莫特絕緣體冷卻到臨界溫度以下時會出現這種磁性。由于電子自旋之間的排列，磁性產生。但在這種情況下，由于自旋是強烈相互作用的，它們的值取決于軌道運動，因此不了解這些磁性是如何在這些材料中產生的。

有一個重要的理論嘗試，以顯示這些材料可能在最基本的水平上發生什么，以實現這種磁性狀態。這就是Mitrovi?和她的同事想要測試的內容。

Mitrovi?在斯坦福大學的同事們首先通過熱力學方法合成和表征了由鋇，鈉，鋨和氧氣制成的莫特絕緣材料，Mitrovi?使用核磁共振探測了這種材料。團隊使用的特殊技術使他們能夠收集有關材料中電子電荷分布的信息以及有關電子自旋的信息。

研究表明，隨著材料的冷卻，電子電荷分布的變化會引起材料原子軌道和晶格的扭曲。隨著溫度進一步冷卻，該失真通過引起原子晶格的各個層內的電子自旋對準來驅動磁性。

“我們能夠確定磁力之前的軌道電荷畸變的確切性質，以及這種異國磁性狀態下的精確自旋對準。”Mitrovi?說。“在一個層中，您的旋轉在一個方向上對齊，然后在其上方和下方的層中，旋轉在不同的方向上對齊。盡管每一層內都有強烈的磁性，但這導致所有磁場都很弱。“

Mitrovi?的理論正在研究預測這種層狀磁性正好先于電荷扭曲。因此，這些發現有助于確認該理論是正確的。

Mitrovi?說，這項工作是理解和操縱這類有趣材料屬性的重要一步，用于實際應用。特別地，具有自旋級耦合的材料有望用于開發比普通器件消耗更少功率的電子器件。

“如果我們想在設備中開始使用這些材料，我們需要從根本上了解它們的工作方式，”Mitrovi?說。“通過這種方式，我們可以根據自己的需要調整屬性。通過驗證具有強自旋軌道耦合的莫特絕緣體的一些理論工作，這項工作是朝著更好理解邁出的重要一步。“

從更廣泛的意義上講，這項工作是邁向更全面的磁力量子理論的一步。

“盡管磁性是古希臘人發現的最長的已知量子現象，但磁性的基本量子理論仍然是難以捉摸的，”米特羅維奇說。“我們設計的工作是為了測試一種新穎的理論，試圖解釋在異國情調的材料中磁力是如何產生的。”