新量子開(kāi)關(guān)能改變材料的量子特性，把金屬變成絕緣體

大多數現代電子設備依靠微小的、調諧良好的電流來(lái)處理和存儲信息。這些電流決定了我們電腦的運行速度、心臟起搏器的工作頻率以及我們存儲在銀行里的錢(qián)的安全性。

在《自然物理》雜志上發(fā)表的一項研究中，英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員展示了一種全新的方法，通過(guò)利用電子的自旋(即其固有的量子磁場(chǎng))和圍繞原子核的軌道旋轉之間的相互作用來(lái)精確控制這種電流。

“我們發(fā)現了一種新的方法，可以將材料中的導電開(kāi)關(guān)從開(kāi)到關(guān)?！痹撗芯康牡谝蛔髡連erend Zwartsenberg說(shuō)，他是不列顛哥倫比亞大學(xué)斯圖爾特布呂松量子物質(zhì)研究所(SBQMI)的博士生?！斑@一激動(dòng)人心的結果不僅擴展我們對導電機理的理解，還將幫助我們進(jìn)一步探索已知的性質(zhì)，如導電性、磁性和超導性，并發(fā)現可能對量子計算、數據存儲和能源應用很重要的新性質(zhì)?！?/p>

打開(kāi)金屬-絕緣體轉換開(kāi)關(guān)

從廣義上講，所有的材料都可以歸類(lèi)為金屬或絕緣體，這取決于電子通過(guò)材料和導電的能力。

然而，并不是所有的絕緣體都是一樣的。在簡(jiǎn)單材料中，金屬和絕緣性能的區別在于電子的數量:金屬是奇數，絕緣體是偶數。在更復雜的材料中，如所謂的莫特絕緣體，電子以不同的方式相互作用，以一種微妙的平衡來(lái)決定它們的導電。

在莫特絕緣體中，靜電斥力會(huì )阻止電子彼此靠得太近，從而造成“交通堵塞”，限制電子的自由流動(dòng)。到目前為止，有兩種已知的方法可以緩解交通堵塞:一種是降低電子之間的排斥力，另一種是改變電子的數量。

SBQMI團隊探索了第三種可能性:是否有一種方法可以改變材料的量子特性，使金屬-絕緣體的轉變成為可能?

利用一種叫做角分辨光電子能譜的技術(shù)，研究小組檢測了莫特絕緣體Sr2IrO4，監測了電子的數量，它們的靜電斥力，以及電子自旋和軌道旋轉之間的相互作用。

Zwartsenberg說(shuō):“我們發(fā)現，自旋與軌道角動(dòng)量的耦合會(huì )使電子減速，以至于它們對彼此的存在變得非常敏感，從而導致交通堵塞?！薄皽p少自旋軌道耦合進(jìn)而緩解交通堵塞，我們能夠首次使用這種策略演示從絕緣體到金屬的過(guò)渡?！?/p>

“這是一個(gè)在基礎物理水平上非常令人興奮的結果，并擴展了現代電子技術(shù)的潛力，”SBQMI的首席研究員和科學(xué)主任Andrea Damascelli說(shuō)?！叭绻覀兡軐α孔游镔|(zhì)的這些階段及其涌現出的電子現象有一個(gè)微觀(guān)的理解，我們就能通過(guò)一個(gè)原子一個(gè)原子地設計量子材料來(lái)開(kāi)發(fā)它們，用于新的電子、磁性和傳感應用?！?/p>