新量子開關能改變材料的量子特性，把金屬變成絕緣體

大多數現代電子設備依靠微小的、調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》雜志上發表的一項研究中，英屬哥倫比亞大學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之間的相互作用來精確控制這種電流。

“我們發現了一種新的方法，可以將材料中的導電開關從開到關。”該研究的第一作者Berend Zwartsenberg說，他是不列顛哥倫比亞大學斯圖爾特布呂松量子物質研究所(SBQMI)的博士生。“這一激動人心的結果不僅擴展我們對導電機理的理解，還將幫助我們進一步探索已知的性質，如導電性、磁性和超導性，并發現可能對量子計算、數據存儲和能源應用很重要的新性質。”

打開金屬-絕緣體轉換開關

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別在于電子的數量:金屬是奇數，絕緣體是偶數。在更復雜的材料中，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量。

SBQMI團隊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-絕緣體的轉變成為可能?

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

Zwartsenberg說:“我們發現，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，從而導致交通堵塞。”“減少自旋軌道耦合進而緩解交通堵塞，我們能夠首次使用這種策略演示從絕緣體到金屬的過渡。”

“這是一個在基礎物理水平上非常令人興奮的結果，并擴展了現代電子技術的潛力，”SBQMI的首席研究員和科學主任Andrea Damascelli說。“如果我們能對量子物質的這些階段及其涌現出的電子現象有一個微觀的理解，我們就能通過一個原子一個原子地設計量子材料來開發它們，用于新的電子、磁性和傳感應用。”