研究人员发现，他们理论的关键是一组意想不到的粒子，称为双极化子，当电子电荷添加到材料中时，就会形成双极化子。图片来源：米特罗维奇实验室

在凝聚态物理学领域，很少有现象能像莫特绝缘体那样吸引物理学家的好奇心。根据传统理论，这种奇怪的材料应该能够导电，但它们主要表现为绝缘体。

更奇怪的是，当添加电子时，这种材料实际上可以变成超导体，以零电阻传导电流。然而，无论添加多少电子，它也可以保持绝缘体。几十年来，极端相反的反应一直困扰着科学家们，但其中一些谜团可能即将结束。

布朗大学的科学家与一个国际研究团队合作，开发了一种新理论，他们通过一系列实验室实验验证了这一理论，首次从根本上解释了为什么一种类型的莫特绝缘体即使在添加电子时也会顽固地抵抗导电。

“这是我们作为物理学家第一次从微观上理解为什么我们看到的特定类型的莫特绝缘体从未变成导体，”布朗物理系主任和教授Vesna Mitrović说，他领导着大学的一个凝聚态磁共振小组，并且是这项新研究的合著者。

“这部作品提供了一个非常基本的画面，说明为什么它可能永远无法作为指挥家工作。主要的收获是，这种材料对其他电子应用很有用，但不能变成导体。

这项工作在《自然通讯》上进行了描述，并与博洛尼亚大学、维也纳大学、帕尔马大学、巴黎理工学院、法兰西学院和俄亥俄州立大学的研究人员合作完成。

这项工作始于布朗大学和博洛尼亚大学的研究人员之间的一个不相关的凝聚态物理实验。

该研究的重点是一种名为Ba的莫特绝缘体2那1–奥索6.这种材料被称为相对论性莫特绝缘体，因为它表现出强烈的自旋轨道耦合，在这种状态下，电子彼此之间强烈相互作用，并且它们的自旋与它们在各自轨道上的移动方式密切相关。

从本质上讲，这使得材料偏离了更常见的物理预测，这可能会产生一些特殊的电子行为。正因为如此，这种材料，以及更普遍的相对论性莫特绝缘体的整个类别，已经引起了科学界的相当大的关注和投资，以了解和控制其特性。

科学家们认为，这种材料与同类材料一样，可以通过添加电子电荷来进出莫特绝缘态。这项新研究解释了这种莫特绝缘体中以前看不见的粒子如何在量子水平上相互作用，以阻止它变成导体，即使添加了许多额外的电子。

“这种新的理解可以为研究人员节省大量时间，投资和精力，以尝试不同的方法，”米特罗维奇说。

研究人员发现，关键是一组意想不到的粒子，称为双极化子，当电子电荷添加到材料中时会形成这些粒子。通常，电子在金属中均匀分布，但在这里，一些带电电子在添加时会卡在材料的某些位置。

这些被俘的电子与材料的晶格结构结合在一起成为双极化子。然后，双极子就像电子的路障一样，使它们难以四处移动和导电。

即使试图通过添加更多的电子来克服这个障碍，双极化子也会确保电子不断卡住并且无法自由移动。归根结底，这就是使材料保持绝缘体的原因。

这种出乎意料的行为让科学家们感到困惑，因为它违背了对材料如何响应其电子结构变化的通常理解。这就是为什么这项研究的结果让研究人员感到惊讶，并且该理论的计算花了四年时间才完成，因为以前从未研究过这种相互作用。

“根据我们对当前物理学的理解，这不应该发生，”米特罗维奇说。

研究人员现在希望将他们的新理论和实验技术付诸实践，看看双极子在相对论莫特绝缘体中的分布情况。

“看看是否有任何情况可以将相对论性莫特绝缘体变成导体，或者这真的是普遍的，这将是很有趣的，”米特罗维奇说。

更多信息：Lorenzo Celiberti 等人，自旋轨道 Jahn-Teller 双极化子，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-46621-0

期刊信息： Nature Communications