大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備依靠微小的、調(diào)諧良好的電流來處理和存儲信息。這些電流決定了我們電腦的運(yùn)行速度、心臟起搏器的工作頻率以及我們存儲在銀行里的錢的安全性。

在《自然物理》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員展示了一種全新的方法，通過利用電子的自旋(即其固有的量子磁場)和圍繞原子核的軌道旋轉(zhuǎn)之間的相互作用來精確控制這種電流。

“我們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，可以將材料中的導(dǎo)電開關(guān)從開到關(guān)。”該研究的第一作者Berend Zwartsenberg說，他是不列顛哥倫比亞大學(xué)斯圖爾特布呂松量子物質(zhì)研究所(SBQMI)的博士生。“這一激動人心的結(jié)果不僅擴(kuò)展我們對導(dǎo)電機(jī)理的理解，還將幫助我們進(jìn)一步探索已知的性質(zhì)，如導(dǎo)電性、磁性和超導(dǎo)性，并發(fā)現(xiàn)可能對量子計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和能源應(yīng)用很重要的新性質(zhì)。”

打開金屬-絕緣體轉(zhuǎn)換開關(guān)

從廣義上講，所有的材料都可以歸類為金屬或絕緣體，這取決于電子通過材料和導(dǎo)電的能力。

然而，并不是所有的絕緣體都是一樣的。在簡單材料中，金屬和絕緣性能的區(qū)別在于電子的數(shù)量:金屬是奇數(shù)，絕緣體是偶數(shù)。在更復(fù)雜的材料中，如所謂的莫特絕緣體，電子以不同的方式相互作用，以一種微妙的平衡來決定它們的導(dǎo)電。

在莫特絕緣體中，靜電斥力會阻止電子彼此靠得太近，從而造成“交通堵塞”，限制電子的自由流動。到目前為止，有兩種已知的方法可以緩解交通堵塞:一種是降低電子之間的排斥力，另一種是改變電子的數(shù)量。

SBQMI團(tuán)隊(duì)探索了第三種可能性:是否有一種方法可以改變材料的量子特性，使金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)變成為可能?

利用一種叫做角分辨光電子能譜的技術(shù)，研究小組檢測了莫特絕緣體Sr2IrO4，監(jiān)測了電子的數(shù)量，它們的靜電斥力，以及電子自旋和軌道旋轉(zhuǎn)之間的相互作用。

Zwartsenberg說:“我們發(fā)現(xiàn)，自旋與軌道角動量的耦合會使電子減速，以至于它們對彼此的存在變得非常敏感，從而導(dǎo)致交通堵塞。”“減少自旋軌道耦合進(jìn)而緩解交通堵塞，我們能夠首次使用這種策略演示從絕緣體到金屬的過渡。”

“這是一個(gè)在基礎(chǔ)物理水平上非常令人興奮的結(jié)果，并擴(kuò)展了現(xiàn)代電子技術(shù)的潛力，”SBQMI的首席研究員和科學(xué)主任Andrea Damascelli說。“如果我們能對量子物質(zhì)的這些階段及其涌現(xiàn)出的電子現(xiàn)象有一個(gè)微觀的理解，我們就能通過一個(gè)原子一個(gè)原子地設(shè)計(jì)量子材料來開發(fā)它們，用于新的電子、磁性和傳感應(yīng)用。”