金屬絕緣體轉變為導體？有可能！

材料牛注： 科學家Erik van Heumen和Alex McLeod成功的展現了金屬從絕緣體到導體的過程，檢驗了六十年前就已提出的理論。使金屬絕緣體轉變成導體不在是夢！讓我們一睹它轉變的風采！

科學家首次在小區域范圍內，將導體轉化為絕緣體的過程成功地在低溫環境下展現了出來。阿姆斯特丹大學的研究員Erik van Heumen和加州大學的Alex McLeo不僅為這個已經流傳了六十年之久的理論提供了有力證據，而且為研究更節能有效的技術打好了基礎。該團隊的實驗工作被刊登在最新一期的Nature Physics上。

材料在高溫下導電，低溫下絕緣這一理論已經在近幾十年間得到了共識。然而在此之前，直接在如此小的長度范圍內檢測這種相變的過程是完全不可能的。如今，Van Heumen和McLeod使用一項新技術，將納米級的材料上發生的相變過程展現在了人們的眼前。

在實驗過程中,研究小組觀察到一個發生在材料電子間的滲流轉變：當溫度超過某一臨界溫度時,電子在材料中移動會相對容易，從而促進電流的流動。當溫度低于閾值溫度時,材料中的小缺陷會引發電子移動，從而造成“交通堵塞”。以納米長度的小磷屑為例,這個“交通堵塞”慢慢向外擴散進而蔓延到整個材料。當之前自由移動的電子突然停止運動，材料也就失去了其導電性能。

該團隊是以V₂O₃為研究對象來研究金屬絕緣體的轉變過程的，它與常見的金屬氧化物，如磁鐵和鐵銹相比，更具有特殊性。該金屬氧化物因其獨特的電子性能而受到人們的青睞，并將在未來的電子應用中大顯身手。“你可以將這些可轉換的材料與當前的硅技術一同應用在手機和電腦里”Van Heumen表示，“這些材料不僅廉價、節能，而且有助于改善其可持續性。”同時，Van Heumen也熱衷于該材料在量子技術表界面上的應用和研發。在使用過程中，當硅升溫時，變成敏感的對量子技術的破壞元素。我們所觀察到的‘金屬——絕緣體’的突然轉變也可以在各種因素下發生，例如，在閃光的條件下，可以為絕緣量子計算機中的計算單位找到更好的應用。

然而,?在這變成現實之前，對有關氧化物的相變，我們還需要投入更多的研究。Van Heumen表示：“我們現在所做的基礎研究是為了更全面地了解這些材料的特性，和四十年前研究硅的情況是相似的。如今，硅科技已經運用到我們所有的電子產業中，所以誰也不知道二十年后這些材料會用來做什么。”

用一個巧妙的方法來提高顯微鏡的分辨率,?Van Heumen和McLeod成功驗證了有關金屬到絕緣體轉換的經典理論。直到現在，紅外光的波長在只有幾微米的情況下，限制了測量電導率的分辨率。物理學家使用低于25納米分辨率的小探針去探索材料的導電或絕緣性質。探針本身作為一個小天線，將這個信息發送回探測器。McLeod表示：我們的技術允許在史無前例的空間分辨率中光學成像。用這種獨特的方法，我們可以將這種轉變如何在物質中進行直接展現出來。

這個實驗是在低于冰點100℃的環境下進行的，不適用于實際應用。然而，Van Heumen認為這種材料很快會在室溫下設計出功能類似的轉變。它將是一個擁有光明前景的密集研究計劃中的重中之重。

原文鏈接：Metal to Insulator Transition Understood

文獻鏈接：Nanotextured phase coexistence in the correlated insulator V2O3.

本文由材料人編輯部楊洪期提供素材，趙輝編譯，牛蕾審核，點我加入材料人編輯部。