解开金属绝缘体过渡的秘密

通过使用国家同步加速器光源II(NSLS-II)提供的X射线技术，科学家们发现相关材料磁铁矿中的金属 - 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 ”杂志上发表了他们的论文。NSLS-II是位于布鲁克海文国家实验室的美国能源部(DOE)科学办公室用户设施，具有独特的功能，可以长期稳定地应用该技术。

“相关材料具有有趣的电子，磁性和结构特性，我们试图了解这些特性在温度变化时或在光脉冲或电场的应用下如何变化”加州大学戴维斯分校教授Roopali Kukreja说道。该论文的第一作者。一种这样的特性是导电性，其确定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，则它被称为绝缘体。在磁铁矿的情况下，无论材料是导体还是绝缘体，温度都可以改变。对于已发表的研究，研究人员的目标是了解磁铁矿在原子水平上如何变得更热，从绝缘体变为金属。

在任何材料中，在其数十亿个原子的每个中都存在特定的电子排列。电子的这种排序很重要，因为它决定了材料的特性，例如其导电性。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材料中电子的排列如何随着温度的变化而变化。

“这种电子安排与我们认为磁铁矿成为绝缘体的原因有关，”Kukreja说。然而，研究这种安排及其在不同条件下如何变化需要科学家们能够以极小的尺度观察磁铁矿。

该技术被称为X射线光子相关光谱(XPCS)，可在NSLS-II的相干软X射线散射(CSX)光束线上获得，使研究人员能够观察材料在纳米尺度上的变化 - 大约为十亿分之一米。

“CSX专为软X射线相干散射而设计。这意味着光束线利用我们的超亮，稳定和相干的X射线源来分析电子的排列如何随时间变化，”CSX科学家Andi Barbour解释道。合着者在纸上。“卓越的稳定性使研究人员能够研究数小时内的微小变化，从而揭示材料中的固有电子行为。”

但是，这不是直接可见的，所以XPCS使用技巧来揭示信息。

“XPCS技术是一种能够在凝聚态物质系统中探测动力学的相干散射方法。当相干的X射线束从样品中散射时会产生散斑图案，作为其在真实空间中的不均匀性的指纹，”温说。胡锦涛是CSX的科学家，也是该论文的共同作者。

然后科学家可以对其材料应用不同的条件，如果散斑图案发生变化，则意味着样品中的电子排序正在发生变化。“从本质上讲，XPCS测量散斑强度与平均强度变得非常不同所需的时间，这被称为去相关，”CSX光束线的主要光束线科学家Claudio Mazzoli说。“同时考虑许多斑点，集合去相关时间是给定样本条件的动态时间尺度的标志。”

该技术揭示了金属 - 绝缘体转变不像前面所想的那样是一步过程，但实际上分两步进行。

“我们的预期是，在升温的过程中，事情会变得越来越快。我们看到的是事情变得越来越快，然后它们变慢。所以快速阶段是一步，第二步是放慢速度，需要在材料成为金属之前发生，“Kukreja说。科学家怀疑发生减速是因为在相变期间，金属和绝缘性质实际上同时存在于材料中。

“这项研究表明，这些纳米长度尺度对这些材料非常重要，”Kukreja说。“我们无法在NSLS-II的CSX光束线以外的任何地方访问这些信息和这些实验参数。”