研究揭示了奇怪绝缘材料中的新量子态

布朗大学的研究人员通过实验证明了一种叫做莫特绝缘体的奇怪材料是如何产生独特的磁性形式的。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，近年来引起了科学家们的极大兴趣。

这项发表在《自然通讯》上的研究有助于证实新的理论工作，并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强磁场实验室的科学家合作完成的。

"我们发现这个理论非常合理，"领导这项工作的布朗大学物理学副教授VesnaMitrovi说。"这表明，这一新理论是基于涉及复杂电子自旋相互作用的量子模型，这是理解强相互作用材料中磁性的良好开端。"

莫特绝缘体是一种根据传统导电理论应该是导体的材料，但它仍然充当绝缘体。之所以会出现绝缘状态，是因为这些材料中的电子具有很强的相关性和互斥性。这种动态造成电子交通堵塞，阻止粒子流动形成电流。科学家希望他们能找到一种方法，将这些材料移入和移出莫特的绝缘状态，这对开发新的功能器件非常有用。人们还发现，通过在其结构中引入杂质，一些莫特绝缘体变成了高温超导体--这种材料在比超导性通常所需的温度高得多的温度下无电阻导电。

尽管有这些材料的前景，科学家们仍然不完全了解它们是如何工作的。这些材料中电子状态的完整描述一直难以捉摸。在最基本的层面上，每个单个电子的特征是其电荷和自旋，其微小的磁矩指向上或下。莫特绝缘体中的电子特性很难预测，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的轨道运动而变化。自旋轨道耦合是指电子的磁矩受其围绕原子核的轨道影响，因此电子的自旋没有很好的定义。因此，要预测这些材料的性质，我们需要知道电子之间的相互作用，单个电子的基本性质取决于它们的轨道运动。

米特罗维奇说："当你有这些复杂的相互作用和自旋耦合时，从理论上描述它就会变得非常复杂。"然而，我们需要这样一个基本的量子理论来预测复杂材料的新量子特性并加以利用。"

Mitrovi的研究主要集中在一种奇怪的磁性上，这种磁性会在具有强自旋轨道耦合的Mott绝缘体冷却到临界温度以下时出现。磁性是由于电子自旋之间的排列而产生的。然而，在这种情况下，因为自旋相互作用很强，它们的值取决于轨道运动，所以不知道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，以显示在最基本的水平上，这些材料可能会发生什么，以实现这种磁性状态。这是米特罗维奇和她的同事想要测试的。

Mitrovi在斯坦福大学的同事首先用热力学方法合成并表征了由钡、钠、锇和氧组成的Mott绝缘材料，Mitrovi利用核磁共振对这种材料进行了检测。该团队使用的特殊技术使他们能够收集材料中电子电荷分布的信息和电子自旋的信息。

结果表明，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畸变。随着温度进一步冷却，这种变形通过在原子晶格的每一层中引起电子自旋排列来驱动磁性。

"我们可以在磁力之前确定轨道电荷畸变的确切性质，以及在这种奇异磁状态下的精确自旋排列。"米特罗维奇说。"在一个图层中，您的旋转沿一个方向对齐，然后在它上面和下面的图层中，旋转沿不同的方向对齐。虽然每层都有很强的磁性，但所有的磁场都很弱。"

米特罗维奇的理论正在研究和预测这种分层磁性恰好先于电荷畸变。因此，这些发现有助于证实该理论是正确的。

米特罗维奇说，这项工作是为了实际应用而理解和操纵这种有趣材料的性质的重要一步。特别是，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。

米特罗维奇说："如果我们想开始在设备中使用这些材料，我们需要对它们的工作原理有一个基本的了解。"这样，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Mott绝缘体的一些理论工作，这项工作是朝着更好的理解迈出的重要一步。"

从更广泛的意义上说，这项工作是迈向更全面的磁性量子理论的一步。

米特罗维察说："虽然磁性是古希腊人发现的已知最长的量子现象，但磁性的基本量子理论仍然难以捉摸。"我们设计的工作是为了测试一种新的理论，并试图解释磁力是如何在外来材料中产生的。"