金属绝缘体转变为导体？有可能！

材料牛注： 科学家Erik van Heumen和Alex McLeod成功的展现了金属从绝缘体到导体的过程，检验了六十年前就已提出的理论。使金属绝缘体转变成导体不在是梦！让我们一睹它转变的风采！

科学家首次在小区域范围内，将导体转化为绝缘体的过程成功地在低温环境下展现了出来。阿姆斯特丹大学的研究员Erik van Heumen和加州大学的Alex McLeo不仅为这个已经流传了六十年之久的理论提供了有力证据，而且为研究更节能有效的技术打好了基础。该团队的实验工作被刊登在最新一期的Nature Physics上。

材料在高温下导电，低温下绝缘这一理论已经在近几十年间得到了共识。然而在此之前，直接在如此小的长度范围内检测这种相变的过程是完全不可能的。如今，Van Heumen和McLeod使用一项新技术，将纳米级的材料上发生的相变过程展现在了人们的眼前。

在实验过程中,研究小组观察到一个发生在材料电子间的渗流转变：当温度超过某一临界温度时,电子在材料中移动会相对容易，从而促进电流的流动。当温度低于阈值温度时,材料中的小缺陷会引发电子移动，从而造成“交通堵塞”。以纳米长度的小磷屑为例,这个“交通堵塞”慢慢向外扩散进而蔓延到整个材料。当之前自由移动的电子突然停止运动，材料也就失去了其导电性能。

该团队是以V₂O₃为研究对象来研究金属绝缘体的转变过程的，它与常见的金属氧化物，如磁铁和铁锈相比，更具有特殊性。该金属氧化物因其独特的电子性能而受到人们的青睐，并将在未来的电子应用中大显身手。“你可以将这些可转换的材料与当前的硅技术一同应用在手机和电脑里”Van Heumen表示，“这些材料不仅廉价、节能，而且有助于改善其可持续性。”同时，Van Heumen也热衷于该材料在量子技术表界面上的应用和研发。在使用过程中，当硅升温时，变成敏感的对量子技术的破坏元素。我们所观察到的‘金属——绝缘体’的突然转变也可以在各种因素下发生，例如，在闪光的条件下，可以为绝缘量子计算机中的计算单位找到更好的应用。

然而, 在这变成现实之前，对有关氧化物的相变，我们还需要投入更多的研究。Van Heumen表示：“我们现在所做的基础研究是为了更全面地了解这些材料的特性，和四十年前研究硅的情况是相似的。如今，硅科技已经运用到我们所有的电子产业中，所以谁也不知道二十年后这些材料会用来做什么。”

用一个巧妙的方法来提高显微镜的分辨率, Van Heumen和McLeod成功验证了有关金属到绝缘体转换的经典理论。直到现在，红外光的波长在只有几微米的情况下，限制了测量电导率的分辨率。物理学家使用低于25纳米分辨率的小探针去探索材料的导电或绝缘性质。探针本身作为一个小天线，将这个信息发送回探测器。McLeod表示：我们的技术允许在史无前例的空间分辨率中光学成像。用这种独特的方法，我们可以将这种转变如何在物质中进行直接展现出来。

这个实验是在低于冰点100℃的环境下进行的，不适用于实际应用。然而，Van Heumen认为这种材料很快会在室温下设计出功能类似的转变。它将是一个拥有光明前景的密集研究计划中的重中之重。

原文链接：Metal to Insulator Transition Understood

文献链接：Nanotextured phase coexistence in the correlated insulator V2O3.

本文由材料人编辑部杨洪期提供素材，赵辉编译，牛蕾审核，点我加入材料人编辑部。