研究揭示了奇异绝缘材料中的新型量子态

布朗大学的研究人员已经通过实验证明了在一种叫做莫特绝缘体的奇怪材料中是如何产生一种独特的磁性形式的。这些发现是朝着更好地理解这些材料的量子态迈出的一步，这些材料近年来引起了科学家的极大兴趣。

该研究发表于Nature Communications，有助于确认新的理论工作，试图解释电子在这些奇怪材料中的表现。这项工作是与斯坦福大学和国家高磁场实验室的科学家合作完成的。

“我们发现这个理论很有道理，”领导这项工作的布朗物理学副教授VesnaMitrović说。“这表明这一新理论基于涉及复杂电子自旋相互作用的量子模型，是理解强相互作用材料中磁性的良好开端。”

莫特绝缘体是根据传统的导电理论应该是导体的材料，但仍然充当绝缘体。产生绝缘状态是因为这些材料中的电子强相关并相互排斥。这种动态产生了一种电子交通堵塞，防止粒子流动形成电流。科学家们希望他们能找到将这些材料移入和移出莫特绝缘状态的方法，这对于开发新型功能器件非常有用。人们还发现，通过在其结构中引入杂质，一些莫特绝缘体成为高温超导体 - 在远高于超导通常所需温度的温度下无电阻导电的材料。

尽管有这些材料的前景，科学家仍然不完全了解它们的工作原理。这些材料中电子态的完整描述一直难以捉摸。在最基本的层面上，每个单独的电子的特征在于其电荷和自旋，其微小的磁矩指向上或下。很难预测莫特绝缘体中的电子特性，因为电子的状态彼此密切相关 - 一个电子的状态影响其邻居的状态。

更为复杂的是，许多莫特绝缘体表现出所谓的自旋轨道耦合，这意味着每个电子的自旋随着原子核轨道运动而发生变化。自旋 - 轨道耦合意味着电子的磁矩受其绕原子核轨道运动的影响，因此电子的自旋没有很好地定义。因此，预测这些材料的性质需要知道电子之间的相互作用，而单个电子的基本性质取决于它们的轨道运动。

“当你有这些复杂的相互作用加上自旋耦合时，理论上描述它就变得非常复杂，”Mitrović说。“然而，我们需要这样的基础量子理论能够预测复杂材料的新型量子特性并利用它们。”

Mitrović的研究主要集中在一种奇怪的磁性，当具有强自旋轨道耦合的莫特绝缘体冷却到临界温度以下时会出现这种磁性。由于电子自旋之间的排列，磁性产生。但在这种情况下，由于自旋是强烈相互作用的，它们的值取决于轨道运动，因此不了解这些磁性是如何在这些材料中产生的。

有一个重要的理论尝试，以显示这些材料可能在最基本的水平上发生什么，以实现这种磁性状态。这就是Mitrović和她的同事想要测试的内容。

Mitrović在斯坦福大学的同事们首先通过热力学方法合成和表征了由钡，钠，锇和氧气制成的莫特绝缘材料，Mitrović使用核磁共振探测了这种材料。团队使用的特殊技术使他们能够收集有关材料中电子电荷分布的信息以及有关电子自旋的信息。

研究表明，随着材料的冷却，电子电荷分布的变化会引起材料原子轨道和晶格的扭曲。随着温度进一步冷却，该失真通过引起原子晶格的各个层内的电子自旋对准来驱动磁性。

“我们能够确定磁力之前的轨道电荷畸变的确切性质，以及这种异国磁性状态下的精确自旋对准。”Mitrović说。“在一个层中，您的旋转在一个方向上对齐，然后在其上方和下方的层中，旋转在不同的方向上对齐。尽管每一层内都有强烈的磁性，但这导致所有磁场都很弱。“

Mitrović的理论正在研究预测这种层状磁性正好先于电荷扭曲。因此，这些发现有助于确认该理论是正确的。

Mitrović说，这项工作是理解和操纵这类有趣材料属性的重要一步，用于实际应用。特别地，具有自旋级耦合的材料有望用于开发比普通器件消耗更少功率的电子器件。

“如果我们想在设备中开始使用这些材料，我们需要从根本上了解它们的工作方式，”Mitrović说。“通过这种方式，我们可以根据自己的需要调整属性。通过验证具有强自旋轨道耦合的莫特绝缘体的一些理论工作，这项工作是朝着更好理解迈出的重要一步。“

从更广泛的意义上讲，这项工作是迈向更全面的磁力量子理论的一步。

“尽管磁性是古希腊人发现的最长的已知量子现象，但磁性的基本量子理论仍然是难以捉摸的，”米特罗维奇说。“我们设计的工作是为了测试一种新颖的理论，试图解释在异国情调的材料中磁力是如何产生的。”