相變在科學研究中一直是至關重要的，從水到冰或蒸汽的變化就是一個簡單例子。對於今天的開創性研究來說，一個重要的相變是在被稱為「相關氧化物」材料中從金屬到絕緣體的相變。科學家們通過研究相關氧化物(導電很少或沒有電阻(類金屬))由於溫度、壓力或其他外場的變化而改變為不導電(絕緣體)時會發生什麼，對超導和磁性等現象有了許多見解。美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室前主任Peter Littlewood和同事們提出：
迄今為止關於過渡金屬氧化物中金屬-絕緣體轉變的最完整圖景。這些相關氧化物吸引了科學家，因為它們有許多吸引人的電子和磁性。這種金屬-絕緣體轉變的調諧和控制一直是許多令人興奮的新物理和很有前途材料應用的來源，例如低功率和超快微電子。過去，科學家通常通過添加電子來調整這種金屬-絕緣體的轉變，新研究成果現發表在《自然》期刊上。之前幾十年的研究表明，調整氧化物晶體結構中電子不活躍。
但結構重要的『植物離子』的大小對轉變溫度也有很大影響。然而，造成這種效果的原因還沒有得到很好的理解。電子上不活躍的植物離子的大小可以改變發生金屬-絕緣體轉變溫度，從接近絕對零度到遠高於室溫的溫度。相變溫度越高，越接近室溫，材料在實際應用中就越有吸引力。本研究重點是一類重要的過渡金屬氧化物：鈣鈦礦。與氧一起，這些氧化物結合了一個電子活性離子和一個電子非活性植物離子。
後一種離子可以是許多稀土元素或鹼土金屬中的任何一種。因此，科學家可以在不改變相關化學物質的情況下，選擇相對較小或較大的原子尺寸。附圖左側顯示了鈣鈦礦型過渡金屬氧化物的基本晶體結構。每個單元格(灰色鑽石)有八個邊，氧原子(紅圈)位於六個尖端，過渡金屬(錳或鎳)隱藏在中心。綠色圓圈代表植物離子，或者是稀土，或者是鹼土金屬。關鍵的發現是確定稀土或鹼土金屬大小的影響，更改此元素的大小會更改引入到八邊單元中的傾斜角度，如附圖右側所示。
反過來，增加傾斜角度會導致八邊形單元中的各種變形和移動，由於內應力，這些單元可能會拉伸、收縮和旋轉。正是這些彈性自由度的動態波動導致了觀察到的熱效應，這些熱效應發生的溫度比單純基於電子活性離子早期模型中解釋的溫度要低得多。在上述機制的基礎上，研究小組能夠構建一種理論，捕捉由植物離子大小引起的傾斜角、金屬-絕緣體轉變溫度和鈣鈦礦晶體結構無序程度之間的關係。理論計算相對簡單，在絕對零度到315攝氏度以上的範圍內與實驗結果吻合較好。
重要的是，理論研究不僅適用於一種材料，而且適用於整個類別的材料，並有許多可能的應用，包括一些與阿貢正在進行和計劃中研究項目相關的應用。例如，在新興的下一代微電子研究領域，金屬-絕緣體轉變的改進調諧和控制有望在模擬大腦過程的計算機低功耗和超高速微電子領域實現重大飛躍。此外，參與阿貢世界級電池項目的科學家或許能夠利用這一理論作為靈感，為下一代鋰離子電池設計更好的正極材料。
博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室參考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1824-9博科園｜科學、科技、科研、科普