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二硫化鉭是一種神秘的材料。根據教科書理論，它應該是一種導電金屬，但在現實世界中，它的作用就像一種絕緣體。來自日本理化學研究所新興物質科學中心的研究人員利用掃描隧道顯微鏡，對這種材料的結構進行了高解析度的觀察，揭示了它為什麼會表現出這種現象。
長期以來，人們都知道，當晶體材料的結構中每個重複單元中的電子數為奇數時，晶體材料應該是良好的導體，但當電子數為偶數時，晶體材料可能是差的導體。然而，有時這個公式並不奏效，有一種情況是 "Mottness"，這是一種基於Nevill Mott的工作特性。根據該理論，當結構中的電子之間存在強烈的排斥性時，會導致電子變得 "局部化"，換句話說，就是癱瘓，無法自由移動以產生電流。使情況更加複雜的是，在三維結構的不同層中的電子也有可能發生相互作用，配對形成雙層結構的電子數量相等的情況。此前有人認為，這種電子的 "配對 "將恢復教科書上對絕緣體的理解，使得沒有必要再援引 "Mottness "作為解釋。
對於目前發表在《Nature Communications》上的研究，研究小組決定研究二硫化鉭，這是一種在每個重複結構中都有13個電子的材料，因此它應該是一種導體。然而，事實並非如此，關於這種特性是由其 "Mottness "造成的還是由配對結構造成的，一直存在爭議。
為了進行這項研究，研究人員製造了二硫化鉭的晶體，然後在真空中裂解晶體，露出超潔淨的表面，然後用一種稱為掃描隧道顯微鏡的方法在接近絕對零度的溫度下對其進行檢查，這種方法涉及到一個微小而又極其敏感的金屬尖端，可以通過量子隧道效應感知電子在材料中的位置及其導電程度。他們的研究結果表明，確實存在著層層堆疊，有效地將它們排列成對。有時，晶體在成對的層之間裂開，有時穿過一對層，將其擊碎。他們對成對和未成對的層進行了光譜分析，發現即使是未成對的層也是絕緣的，Mottness是唯一的解釋。
據該研究的第一作者Christopher Butler說："二硫化鉭中絕緣狀態和相變的性質一直是個長期以來的謎，除了層間配對之外，發現Mottness是一個關鍵的角色，這讓人非常興奮。這是因為理論家們懷疑，Mottness可能為一個被稱為量子自旋液的物質相奠定了基礎。"
領導研究團隊的Tetsuo Hanaguri說："是什麼讓這種材料在絕緣相到導電相之間轉變的問題長期以來一直是物理學家們的困惑，我們非常高興能夠在這個謎題中加入了一塊新的棋子。未來的工作可能會幫助我們發現Mottness中出現的新的有趣而有用的現象，比如高溫超導等。"
論文標題為《Mottness versus unit-cell doubling as the driver of the insulating state in 1T-TaS2》。