（a） 連續 MIT 的簡化相圖，顯示了金屬、（莫特）絕緣和臨界狀態，其中 T∗∼|g−gc|νz表示與ν，z的交叉尺度，ν，z是清潔理論的臨界指數[4]。（b） 滲透電流路徑（綠色）的典型快照，該路徑由金屬電阻器（藍色）組成，用於標記為（2023）的點，位於金屬狀態深處。（c） 點 （10） 的滲透主幹包含金屬和臨界電阻（紅色）。（d）對於同一點（1103），由於熱激活電阻器（淺紅色）而引入有限電阻有助於滲透骨幹網。來源：物理評論快報（130 年）。DOI： 066301.<>/PhysRevLett.<>.<>
電子自由流動的金屬和電子基本上不動的電絕緣體之間存在明顯差異。儘管在一種材料中找到一種從金屬到絕緣體來回切換的方法存在明顯的困難，但物理學家正試圖弄清楚如何。
「假設你想把數十億個電路元件放在一個微小的晶片上，然後在微觀尺度上控制其中一個元件是金屬的還是以受控方式絕緣的，」藝術與科學學院（A&S）物理學助理教授Debanjan Chowdhury說。「如果你可以通過輕彈開關來控制微觀設備，那就太了不起了。
通過深入研究最近的實驗結果，試圖調和實驗和理論，Chowdhury和博士候選人Sunghoon Kim發現，即使是任何現實生活中材料固有的微小缺陷，在揭示與實驗金屬到絕緣體過渡相關的通用物理學方面起著關鍵作用。了解這種神秘相變背後的物理學可能會導致新的複雜微觀電路，超導體和奇異的絕緣體，這些電路可以在量子計算中找到用途。
「莫爾半導體中的連續莫特躍遷：長波長不均勻性的作用」於9月<>日發表在《物理評論快報》上。
在一篇有影響力的 2021 年《自然》論文中，由物理學教授 Kin Fai Mak（A&S）和應用與工程物理學（工程學）教授 Jie Shan 領導的康奈爾大學研究人員展示了一種材料中金屬和絕緣體之間的過渡。哥倫比亞大學研究人員同時進行的一項實驗報告了不同材料中的類似現象。
然而，實驗結果與預測電阻應該如何表現的長期理論不符，2021年論文的共同作者喬杜里說。
科學家們已經使用了各種策略來尋求將金屬變成絕緣體，Chowdhury說。一種是向材料中添加雜質，這些雜質充當屏障並阻礙電子的運動。但這種方法不是很靈活，他說，將金屬製成絕緣體比相反更容易。
他說，另一種方法是逐漸耗盡金屬中的電子供應 - 幾乎就像「關閉水龍頭」一樣。這可以創建一個絕緣體，但通常沒有任何有趣的特性，Chowdhury說。
「2021年康奈爾實驗的真正令人興奮的是，」喬杜里說，「他們想出了如何在不向系統添加雜質或改變電子數量的情況下將金屬變成絕緣體。
Mak和Shan使用摩爾紋晶格 - 他們最近開創的一項創新 - 製作了兩層2D半導體材料的三明治，然後在垂直方向上施加電場，在金屬和絕緣體之間切換材料。
麻省理工學院的Senthil Todadri在2008年提出的一項理論預測，當材料接近從金屬到絕緣體的過渡點時，材料的電阻將增加一個普遍的量 - 一個僅由自然基本常數控制的量。
「實驗在實踐中沒有發現這是真的，」喬杜里說。「然而，與此同時，實驗揭示了其他特徵，清楚地表明在這個轉變期間觀察到的物理學是普遍的。
在分析2021年的實驗時，Kim和Chowdhury牢記，本研究的共同作者Todadri的2008年理論是基於沒有缺陷的完美晶體。
「為了解決這個難題，」喬杜里說，「我們最初的猜想也許不是這種轉變在真實設備中實際表現的方式。真正的設備總是會有一些缺陷。但是，這些缺陷是否有可能有助於揭示金屬到絕緣體過渡的普遍和有趣的特徵？
Chowdhury說，隨著實驗人員改變了電場，由於少量固有的缺陷，材料的不同部分很可能在不同的電場值下經歷了金屬到絕緣體的轉變。因此，流動的電子必須找到一條穿過這些絕緣區域「島」的路徑，嵌入金屬的「海洋」中。
為了解釋實驗觀察結果，研究人員得出結論，材料中有三種區域：金屬，具有低電阻;絕緣體，具有非常大的電阻;和金屬，但具有普遍的大阻力，僅受自然界基本常數的支配。Chowdhury說，將觀察結果與理論聯繫起來有助於闡明由此產生的絕緣體的可能性質，這可能具有迷人和有用的特性。
它可能具有量子自旋液體的成分，其中電子的電荷從其自旋中釋放出來，導致電子有效地分裂成新型湧現激發的狀態。因為這種奇異的狀態可以在非局部激發中編碼各種信息，所以它被認為是邁向量子計算的關鍵一步。
「我們在理論上已經知道自然界中可能存在量子自旋液體，」喬杜里說，「但這些實驗使我們更接近在實驗室中實現它們的夢想。
更多信息：Sunghoon Kim 等人，莫爾半導體中的連續莫特躍遷：長波長不均勻性的作用，《物理評論快報》（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.066301
期刊信息： 物理評論快報 ， 自然