为什么一种神秘的材料会从导体转变为绝缘体

时间:2020-06-21 23:01 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

为什么一种神秘的材料会从导体转变为绝缘体

二硫化钽是一种神秘的物质。根据教科书上的理论,它应该是导电的金属,但在现实世界中,它的作用像绝缘体。利用扫描隧道显微镜,来自日本理化学研究所紧急物质科学中心的研究人员对物质的结构进行了高分辨率的观察,揭示了为什么它会表现出这种非直觉的行为。

人们早就知道,晶体材料在其结构的每个重复单元中有奇数个电子时应是良导体,但当电子数为偶数时则可能是不良导体。然而,有时这个公式并不适用,一个例子是“Mottness”,这是一种基于Nevill Mott先生工作的属性。根据这一理论,当结构中的电子之间存在强烈的排斥时,它就会导致电子“局部化”——换句话说就是瘫痪——无法自由移动来产生电流。使情况变得复杂的是,在三维结构的不同层中,也有电子相互作用的情况,它们相互配对,形成具有偶数个电子的双层结构。以前曾有人提出,这种电子的“配对”将恢复教科书对绝缘体的理解,使它没有必要援引“斑点”作为解释。

在目前发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的研究中,研究小组决定研究二硫化钽,这种材料的每个重复结构中都有13个电子,因此它应该是一种导体。然而,它不是这样的,并且对于这种属性是由其“斑点性”还是由配对结构引起的一直存在争议。

执行的研究中,研究人员创造了二硫化钽然后裂解晶体的晶体在真空中揭示超净的表面,检查,然后在接近绝对零度的温度称为扫描隧道显微镜的方法,涉及一个微小的和极其敏感的金属尖,可以感知电子在材料及其程度的导电行为通过量子隧穿效应。他们的研究结果表明,确实存在一层一层的叠加,有效地将它们排列成成对。有时,晶体会在两层之间裂开,有时会穿过一层,使之断裂。他们对成对和未成对的层进行了光谱分析,发现即使是未成对的层也是绝缘的,留下斑点是唯一的解释。

该研究的第一作者克里斯托弗·巴特勒(Christopher Butler)表示,“二硫化钽的绝缘状态和相变的确切性质一直是个谜,令人兴奋的是,除了两层之间的配对外,斑点也是一个关键因素。”这是因为理论家们怀疑莫特状态可能会为物质的一个有趣阶段——量子自旋液体——奠定基础。”

领导这个研究小组的Tetsuo Hanaguri说:“是什么让这种材料在绝缘和导电相之间移动,这个问题长期以来一直是物理学家们的难题,我很满意我们能够在这个难题中加入新的部分。”未来的工作可能会帮助我们发现新的有趣和有用的现象,从杂色,如高温超导。”

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