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[討論] 一個從金子變成木頭的過程

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蟲柱

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發表於 2021-6-10 10:16:00 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

  來源:原理

一個從金子變成木頭的過程

  金、銀、銅……所有的這些金屬,都是導體。有些金屬材料在任何條件下都能保持良好的導電性能;但有的材料只有在溫度足夠高時才具有金屬導體的性質,在低溫條件下,這些材料就會表現得像是絕緣體一樣,無法很好地導電。換句話說,當溫度降低時,這些不尋常的材料就像是從一塊金子變成一塊木頭。

  這些材料究竟是如何從導體變成絕緣體的?這個問題已經困擾了物理學家很長時間,解開這類與金屬和絕緣體有關的基本問題,和新技術革命的到來息息相關。

  過去,物理學家提出過一些不同的理論來解釋這種金屬絕緣體轉變,但他們並不能確切地了解這種轉變背後的機制。1949年,物理學家內維爾·弗朗西斯·莫脱(Nevill Francis Mott)通過觀察電子之間的相互作用,解釋了某些晶體是如何在導體和絕緣體之間交替的。他發現,當電子密度降低時,某些金屬可以通過某種方便的方式將原子彼此分離,從而成爲絕緣體。他也因此理論獲得了1977年的諾貝爾物理學獎。l

  1951年,物理學家約翰·斯莱特(John Slater)提出了一種不同的理論來解釋金屬絕緣體轉變,他認爲,材料的金屬絕緣體轉變可以單獨被磁性所驅動。磁性是由材料中電子的自旋以某種有序的方式排列而導致的,換句話說,斯萊特認爲金屬絕緣體轉變是基于電子的自旋-自旋相互作用,而不是如過去一些研究所認爲的由材料中的晶格結構變化導致。他提出,當溫度降低時,磁態會變得有序,從而阻止了電子在材料中的流通。

  然而,盡管這種說法在理論上是合理的,但事實證明,對于絕大多數材料來說,電子間的電相互作用比磁相互作用的效果更強,由自旋引發的效應大小與由晶格結構變化引發的效應相當。因此,斯萊特機制很難通過實驗加以驗證,因爲它很容易被金屬絕緣體轉變中的其他效應(包括莫特所提出的那些)所覆蓋掉。

  要證明自旋-自旋相互作用是金屬絕緣體轉變的驅動力,最好要選擇磁性能保持晶體對稱性的材料來作爲實驗系統。現在,一項發表在《自然通訊》雜志上的新研究,爲斯萊特提出的金屬絕緣體轉變理論提供了迄今爲止最清晰的實驗證據。

一個從金子變成木頭的過程 氧化燒綠石。| 圖片來源:Yejun Feng。 et al。 / Nature Communications

  在新研究中,研究人員終于使用了一種自1974年就開始研究的化合物,這種化合物被稱爲氧化燒綠石(Cd₂Os₂O₇),它不會受其他金屬絕緣體轉變機制的影響,是一種能表現出“全入全出”的反鐵磁順序的材料,四面體的四個自旋都指向中心或遠離中心。

  研究人員在實驗中使用這種材料來證明斯萊特機制時,遇到了一個未曾預見的挑戰——疇壁。在磁學中,疇壁指的是那些能分離磁疇(磁性材料內有著一致的磁化方向的區域)的界面,疇壁的存在可將磁性材料分成若幹部分。在氧化燒綠石這種材料中,其大部分都是絕緣的,而疇壁是導電的。
  通常情況下,當一種材料是良好的導體時,比如在金屬材料中,電子在很大程度上可以不受阻礙地四處移動;相反,如果一種材料絕緣體,電子會被困住,無法自由移動。論文的第一作者Yejun Feng將這種情況類比成社區和社區裏的居民——不同的材料是不同的社區,電子是社區裏的成員,絕緣體是那些居住著不想和鄰居往來的社區;導電金屬是那些交流密切,鄰裏之間可以自由且頻繁地彼此訪問的社區。而疇壁,就好比是社區之間的高速公路。

一個從金子變成木頭的過程 兩個磁疇(藍和橙)被疇壁(白色區域)分開,在圖示的材料中,疇壁是導電的,磁疇是絕緣的。| 圖片來源:Yejun Feng

  在實驗中,疇壁的存在雖然先是給實驗帶來了未知的挑戰,而也正是因爲它們的存在,研究人員得以發展出了一種新的用于證明斯萊特機制的測量過程和技術。在此之前的一些試圖證明斯萊特的金屬絕緣體轉變理論的實驗,並沒有考慮到疇壁能屏蔽磁驅動效應這一事實。通過將疇壁與大部分絕緣材料隔離,研究人員對斯萊特機制有了更全面的了解。

  在這項實驗中,研究人員挑戰傳統的假設,即磁性材料的電導率是通過基本的對稱性來測量的,開發出了新的工具來探測自旋電子設備,其中許多都依賴于跨疇壁的輸運。他們開發了一種方法來分離疇壁的影響,只有這樣才能揭示斯萊特機制。新的研究結果將有助于解答有關不同材料如何表現的基本問題,並可能在一些技術上有所應用,例如在涉及電子自旋的自旋電子學領域。

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