一个从金子变成木头的过程

  金、银、铜……所有的这些金属,都是导体。有些金属材料在任何条件下都能保持良好的导电性能;但有的材料只有在温度足够高时才具有金属导体的性质,在低温条件下,这些材料就会表现得像是绝缘体一样,无法很好地导电。换句话说,当温度降低时,这些不寻常的材料就像是从一块金子变成一块木头。

  这些材料究竟是如何从导体变成绝缘体的?这个问题已经困扰了物理学家很长时间,解开这类与金属和绝缘体有关的基本问题,和新技术革命的到来息息相关。

  过去,物理学家提出过一些不同的理论来解释这种金属绝缘体转变,但他们并不能确切地了解这种转变背后的机制。1949年,物理学家内维尔·弗朗西斯·莫脱(Nevill Francis Mott)通过观察电子之间的相互作用,解释了某些晶体是如何在导体和绝缘体之间交替的。他发现,当电子密度降低时,某些金属可以通过某种方便的方式将原子彼此分离,从而成为绝缘体。他也因此理论获得了1977年的诺贝尔物理学奖。l

  1951年,物理学家约翰·斯莱特(John Slater)提出了一种不同的理论来解释金属绝缘体转变,他认为,材料的金属绝缘体转变可以单独被磁性所驱动。磁性是由材料中电子的自旋以某种有序的方式排列而导致的,换句话说,斯莱特认为金属绝缘体转变是基于电子的自旋-自旋相互作用,而不是如过去一些研究所认为的由材料中的晶格结构变化导致。他提出,当温度降低时,磁态会变得有序,从而阻止了电子在材料中的流通。

  然而,尽管这种说法在理论上是合理的,但事实证明,对于绝大多数材料来说,电子间的电相互作用比磁相互作用的效果更强,由自旋引发的效应大小与由晶格结构变化引发的效应相当。因此,斯莱特机制很难通过实验加以验证,因为它很容易被金属绝缘体转变中的其他效应(包括莫特所提出的那些)所覆盖掉。

  要证明自旋-自旋相互作用是金属绝缘体转变的驱动力,最好要选择磁性能保持晶体对称性的材料来作为实验系统。现在,一项发表在《自然通讯》杂志上的新研究,为斯莱特提出的金属绝缘体转变理论提供了迄今为止最清晰的实验证据。

氧化烧绿石。| 图片来源:Yejun Feng。 et al。 / Nature Communications氧化烧绿石。| 图片来源:Yejun Feng。 et al。 / Nature Communications

  在新研究中,研究人员终于使用了一种自1974年就开始研究的化合物,这种化合物被称为氧化烧绿石(Cd₂Os₂O₇),它不会受其他金属绝缘体转变机制的影响,是一种能表现出“全入全出”的反铁磁顺序的材料,四面体的四个自旋都指向中心或远离中心。

  研究人员在实验中使用这种材料来证明斯莱特机制时,遇到了一个未曾预见的挑战——畴壁。在磁学中,畴壁指的是那些能分离磁畴(磁性材料内有着一致的磁化方向的区域)的界面,畴壁的存在可将磁性材料分成若干部分。在氧化烧绿石这种材料中,其大部分都是绝缘的,而畴壁是导电的。
  通常情况下,当一种材料是良好的导体时,比如在金属材料中,电子在很大程度上可以不受阻碍地四处移动;相反,如果一种材料绝缘体,电子会被困住,无法自由移动。论文的第一作者Yejun Feng将这种情况类比成社区和社区里的居民——不同的材料是不同的社区,电子是社区里的成员,绝缘体是那些居住着不想和邻居往来的社区;导电金属是那些交流密切,邻里之间可以自由且频繁地彼此访问的社区。而畴壁,就好比是社区之间的高速公路。

两个磁畴(蓝和橙)被畴壁(白色区域)分开,在图示的材料中,畴壁是导电的,磁畴是绝缘的。| 图片来源:Yejun Feng两个磁畴(蓝和橙)被畴壁(白色区域)分开,在图示的材料中,畴壁是导电的,磁畴是绝缘的。| 图片来源:Yejun Feng

  在实验中,畴壁的存在虽然先是给实验带来了未知的挑战,而也正是因为它们的存在,研究人员得以发展出了一种新的用于证明斯莱特机制的测量过程和技术。在此之前的一些试图证明斯莱特的金属绝缘体转变理论的实验,并没有考虑到畴壁能屏蔽磁驱动效应这一事实。通过将畴壁与大部分绝缘材料隔离,研究人员对斯莱特机制有了更全面的了解。

  在这项实验中,研究人员挑战传统的假设,即磁性材料的电导率是通过基本的对称性来测量的,开发出了新的工具来探测自旋电子设备,其中许多都依赖于跨畴壁的输运。他们开发了一种方法来分离畴壁的影响,只有这样才能揭示斯莱特机制。新的研究结果将有助于解答有关不同材料如何表现的基本问题,并可能在一些技术上有所应用,例如在涉及电子自旋的自旋电子学领域。

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