电子在其中自由流动的金属与电子在其中基本不动的电绝缘体之间存在明显差异。尽管在一种材料中找到一种在金属和绝缘体之间来回切换的方法存
电子在其中自由流动的金属与电子在其中基本不动的电绝缘体之间存在明显差异。尽管在一种材料中找到一种在金属和绝缘体之间来回切换的方法存在明显的困难，但物理学家仍在努力弄清楚如何实现。
“假设你想将数十亿个电路元件放在一个微型芯片上，然后在那个微观尺度上以一种受控的方式控制其中一个元件是金属的还是绝缘的，”学院物理学助理教授DebanjanChowdhury说。艺术与科学学院(A&S)。“如果你能通过轻按开关来控制微型设备，那将是非常了不起的。”
Chowdhury和博士生SunghoonKim深入研究了最近的实验结果，试图调和实验和理论，发现即使是任何现实生活中材料固有的微小缺陷，在揭示与实验相关的普遍物理学方面也起着关键作用金属到绝缘体的转变。了解这种神秘相变背后的物理学可能会导致新的复杂微观电路、超导体和奇特的绝缘体，它们可以在量子计算中找到用途。
“莫尔半导体中的连续莫特转变：长波长不均匀性的作用”发表于2月9日的《物理评论快报》。
在一篇颇具影响力的2021年自然论文中，康奈尔大学的研究人员由物理学教授KinFaiMak和应用与工程物理学教授JieShan领导，展示了一种材料中金属和绝缘体之间的转变。哥伦比亚大学研究人员同时进行的一项实验报告了不同材料中的类似现象。
然而，2021年论文的合著者乔杜里说，实验结果与预测电阻应如何表现的长期理论不符。
Chowdhury说，科学家们使用了各种策略来将金属变成绝缘体。一种是在材料中添加杂质，这些杂质充当屏障并阻碍电子的运动。但这种方法不是很灵活，他说，将金属制成绝缘体比反过来更容易。
另一种方法是逐渐耗尽金属中的电子供应——几乎就像“关掉水龙头”，他说。Chowdhury说，这可以产生绝缘体，但通常不会产生任何有趣的特性。
“2021年康奈尔大学的实验真正令人兴奋，”乔杜里说，“他们想出了如何在不向系统中添加杂质或改变电子数量的情况下将金属变成绝缘体。”
Mak和Shan使用莫尔晶格——他们最近开创的一项创新——制作两层二维半导体材料的三明治，然后在垂直方向施加电场，使材料在金属和绝缘体之间切换。
麻省理工学院的SenthilTodadri在2008年提出的一项理论提案预测，当一种材料接近从金属到绝缘体的转变点时，该材料的电阻将跳跃一个普遍的量——一个仅受自然基本常数支配的量。
“实验并没有发现这在实践中是正确的，”乔杜里说。“但与此同时，该实验揭示了其他特征，这些特征清楚地表明在这一转变过程中观察到的物理学是普遍存在的。”
在分析2021年的实验时，金和乔杜里牢记，本研究的合著者托达德里(Todadri)在2008年提出的理论是基于没有瑕疵的完美晶体。
“为了解决这个难题，”乔杜里说，“我们最初的猜想可能不是这种转变在真实设备中实际表现出来的方式。真实设备总会有一些不完美之处。但这些不完美之处是否有可能有助于揭示普遍性和有趣性金属到绝缘体转变的特征?”
Chowdhury说，随着实验人员改变电场，由于少量的固有缺陷，材料的不同部分可能会在不同的电场值下经历金属到绝缘体的转变。因此，流动的电子必须找到穿过这些嵌入金属“海洋”的绝缘区域“岛”的路径。
为了解释实验观察结果，研究人员得出结论，材料中存在三种区域：金属，电阻低;绝缘体，具有非常大的电阻;和金属，但具有仅受自然基本常数支配的普遍大电阻。乔杜里说，将观察结果与理论联系起来有助于阐明所得绝缘体的可能性质，它可能具有迷人而有用的特性。
它可能具有量子自旋液体的成分，其中电子的电荷从其自旋中释放出来，导致电子有效地分裂成新的突发激发态。由于这种奇异状态可以在非局部激发中编码各种信息，因此它被认为是迈向量子计算的关键一步。
“我们从理论上知道自然界中可能存在量子自旋液体，”乔杜里说，“但这些实验让我们更接近在实验室实现它们的梦想。”
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