布朗大學(xué)的研究人員已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了在一種叫做莫特絕緣體的奇怪材料中是如何產(chǎn)生一種獨(dú)特的磁性形式的。這些發(fā)現(xiàn)是朝著更好地理解這些材料的量子態(tài)邁出的一步，這些材料近年來引起了科學(xué)家的極大興趣。

該研究發(fā)表于Nature Communications，有助于確認(rèn)新的理論工作，試圖解釋電子在這些奇怪材料中的表現(xiàn)。這項(xiàng)工作是與斯坦福大學(xué)和國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作完成的。

“我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論很有道理，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的布朗物理學(xué)副教授VesnaMitrovi?說。“這表明這一新理論基于涉及復(fù)雜電子自旋相互作用的量子模型，是理解強(qiáng)相互作用材料中磁性的良好開端。”

莫特絕緣體是根據(jù)傳統(tǒng)的導(dǎo)電理論應(yīng)該是導(dǎo)體的材料，但仍然充當(dāng)絕緣體。產(chǎn)生絕緣狀態(tài)是因?yàn)檫@些材料中的電子強(qiáng)相關(guān)并相互排斥。這種動(dòng)態(tài)產(chǎn)生了一種電子交通堵塞，防止粒子流動(dòng)形成電流?？茖W(xué)家們希望他們能找到將這些材料移入和移出莫特絕緣狀態(tài)的方法，這對(duì)于開發(fā)新型功能器件非常有用。人們還發(fā)現(xiàn)，通過在其結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)，一些莫特絕緣體成為高溫超導(dǎo)體 - 在遠(yuǎn)高于超導(dǎo)通常所需溫度的溫度下無電阻導(dǎo)電的材料。

盡管有這些材料的前景，科學(xué)家仍然不完全了解它們的工作原理。這些材料中電子態(tài)的完整描述一直難以捉摸。在最基本的層面上，每個(gè)單獨(dú)的電子的特征在于其電荷和自旋，其微小的磁矩指向上或下。很難預(yù)測(cè)莫特絕緣體中的電子特性，因?yàn)殡娮拥臓顟B(tài)彼此密切相關(guān) - 一個(gè)電子的狀態(tài)影響其鄰居的狀態(tài)。

更為復(fù)雜的是，許多莫特絕緣體表現(xiàn)出所謂的自旋軌道耦合，這意味著每個(gè)電子的自旋隨著原子核軌道運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。自旋 - 軌道耦合意味著電子的磁矩受其繞原子核軌道運(yùn)動(dòng)的影響，因此電子的自旋沒有很好地定義。因此，預(yù)測(cè)這些材料的性質(zhì)需要知道電子之間的相互作用，而單個(gè)電子的基本性質(zhì)取決于它們的軌道運(yùn)動(dòng)。

“當(dāng)你有這些復(fù)雜的相互作用加上自旋耦合時(shí)，理論上描述它就變得非常復(fù)雜，”Mitrovi?說。“然而，我們需要這樣的基礎(chǔ)量子理論能夠預(yù)測(cè)復(fù)雜材料的新型量子特性并利用它們。”

Mitrovi?的研究主要集中在一種奇怪的磁性，當(dāng)具有強(qiáng)自旋軌道耦合的莫特絕緣體冷卻到臨界溫度以下時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種磁性。由于電子自旋之間的排列，磁性產(chǎn)生。但在這種情況下，由于自旋是強(qiáng)烈相互作用的，它們的值取決于軌道運(yùn)動(dòng)，因此不了解這些磁性是如何在這些材料中產(chǎn)生的。

有一個(gè)重要的理論嘗試，以顯示這些材料可能在最基本的水平上發(fā)生什么，以實(shí)現(xiàn)這種磁性狀態(tài)。這就是Mitrovi?和她的同事想要測(cè)試的內(nèi)容。

Mitrovi?在斯坦福大學(xué)的同事們首先通過熱力學(xué)方法合成和表征了由鋇，鈉，鋨和氧氣制成的莫特絕緣材料，Mitrovi?使用核磁共振探測(cè)了這種材料。團(tuán)隊(duì)使用的特殊技術(shù)使他們能夠收集有關(guān)材料中電子電荷分布的信息以及有關(guān)電子自旋的信息。

研究表明，隨著材料的冷卻，電子電荷分布的變化會(huì)引起材料原子軌道和晶格的扭曲。隨著溫度進(jìn)一步冷卻，該失真通過引起原子晶格的各個(gè)層內(nèi)的電子自旋對(duì)準(zhǔn)來驅(qū)動(dòng)磁性。

“我們能夠確定磁力之前的軌道電荷畸變的確切性質(zhì)，以及這種異國(guó)磁性狀態(tài)下的精確自旋對(duì)準(zhǔn)。”Mitrovi?說。“在一個(gè)層中，您的旋轉(zhuǎn)在一個(gè)方向上對(duì)齊，然后在其上方和下方的層中，旋轉(zhuǎn)在不同的方向上對(duì)齊。盡管每一層內(nèi)都有強(qiáng)烈的磁性，但這導(dǎo)致所有磁場(chǎng)都很弱。“

Mitrovi?的理論正在研究預(yù)測(cè)這種層狀磁性正好先于電荷扭曲。因此，這些發(fā)現(xiàn)有助于確認(rèn)該理論是正確的。

Mitrovi?說，這項(xiàng)工作是理解和操縱這類有趣材料屬性的重要一步，用于實(shí)際應(yīng)用。特別地，具有自旋級(jí)耦合的材料有望用于開發(fā)比普通器件消耗更少功率的電子器件。

“如果我們想在設(shè)備中開始使用這些材料，我們需要從根本上了解它們的工作方式，”Mitrovi?說。“通過這種方式，我們可以根據(jù)自己的需要調(diào)整屬性。通過驗(yàn)證具有強(qiáng)自旋軌道耦合的莫特絕緣體的一些理論工作，這項(xiàng)工作是朝著更好理解邁出的重要一步。“

從更廣泛的意義上講，這項(xiàng)工作是邁向更全面的磁力量子理論的一步。

“盡管磁性是古希臘人發(fā)現(xiàn)的最長(zhǎng)的已知量子現(xiàn)象，但磁性的基本量子理論仍然是難以捉摸的，”米特羅維奇說。“我們?cè)O(shè)計(jì)的工作是為了測(cè)試一種新穎的理論，試圖解釋在異國(guó)情調(diào)的材料中磁力是如何產(chǎn)生的。”