揭开金属-绝缘体转变的秘密

通过使用国家同步辐射光源二号(NSLS二号)提供的X射线技术，科学家发现磁铁矿中的金属-绝缘体转变是一个两步过程。加州大学戴维斯分校的研究人员在《物理评论快报》上发表了他们的论文。NSLS二号是位于布鲁克海文国家实验室的美国能源部科学办公室的用户设施。它功能独特，可长期稳定使用。

加州大学戴维斯分校教授Roopali Kukreja说：“相关材料具有有趣的电子、磁性和结构特征，我们试图了解这些特征在温度变化时或在光脉冲或电场的作用下是如何变化的。本文第一作者。其中一个特征是导电性，它决定了材料是金属还是绝缘体。如果材料是良好的电导体，它通常是金属的；如果不是，它被称为绝缘体。就磁铁矿而言，无论材料是导体还是绝缘体，温度都会发生变化。对于已发表的研究，研究人员的目标是观察磁铁矿如何在原子水平上变得更热，从绝缘体到金属。

在任何材料中，其数十亿个原子中的每一个都有特定的电子排列。电子的这种顺序非常重要，因为它决定了材料的性质，比如它们的导电性。为了理解磁铁矿的金属-绝缘体转变，研究人员需要一种方法来观察电子在材料中的排列如何随着温度的变化而变化。Kukreja说：“这种电子排列与我们认为磁铁矿变成绝缘体的原因有关。然而，研究这种排列及其在不同条件下的变化需要科学家能够在非常小的范围内观察磁铁矿。

这种被称为X射线光子相关光谱(XPCS)的技术可以在NSLS二号的相干软X射线散射(CSX)光束线上获得，这使得研究人员能够在纳米尺度上观察材料的变化——大约十亿分之一米。“CSX设计用于软X射线相干散射。这意味着束线使用我们的超亮、稳定和相干的X射线源来分析电子的排列是如何随时间变化的，”CSX科学家安迪巴伯解释道。写在纸上了。“优异的稳定性使研究人员能够在几个小时内研究微小的变化，从而揭示材料固有的电子行为。”

然而，这不是直接可见的，所以XPCS使用技术来揭示信息。“XPCS技术是一种相干散射方法，可以探测凝聚态物质系统中的动力学。当相干X射线束从样品中散射出来时，会产生一个散斑图案，作为其在真实空间中不均匀性的指纹，”温说。胡锦涛是CSX的科学家，也是这篇论文的合著者。然后科学家可以对他们的材料应用不同的条件。如果斑点图案改变，则意味着样品中的电子顺序正在改变。CSX光束线的主要光束线科学家克劳迪奥马佐利说：“基本上，XPCS测量的是斑点强度和平均强度变得非常不同的时间，这被称为去相关”。一次考虑许多点，设定的去相关时间是给定样本条件下动态时间尺度的标志

这项技术揭示了金属-绝缘体转变并不像以前认为的那样是一步到位的过程，实际上它是分两步进行的。“我们的期望是，在升温的过程中，事情会变得越来越快。我们看到的是事情越来越快，然后就会变慢。所以快速阶段是一步，第二步是减速，也就是说，它需要在材料变成金属之前发生，”Kukreja说。科学家怀疑减速的发生是因为在相变过程中，金属和绝缘特性实际上同时存在于材料中。“这项研究表明，这些纳米长度的尺度对这些材料非常重要，”Kukreja说。“我们无法在NSLS二号的CSX光束线之外的任何地方获得这些信息和这些实验参数。”

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