杜克大學的材料科學家展示了第一個明確的例子，即材料轉變成磁體可以控制其晶體結構的不穩定性，從而導致其從導體變為絕緣體。
如果研究人員能夠學習控制六邊形硫化鐵中識別出的物理特性之間的這種獨特聯繫，那麼它就可以實現自旋電子計算等新技術。研究結果發表在4月13日的「 Nature Physics」雜誌上。
六方鐵硫化物通常被稱為硫鐵礦，雖然也存在於地球上，但在隕石中含量更高，尤其是來自月球和火星的隕石。很少在地殼中遇到過，據信地球上大多數硫鐵礦都起源於太空。
儘管硫鐵礦相對稀少，但自1862年以來就一直存在對它的研究。最近的一篇理論論文表明，在289到602華氏度的溫度之間可能有新的物理作用-硫鐵礦成為磁性和絕緣體的溫度範圍。
「從理論上講，原子在其晶體結構中移動的方式通過前所未有的相當複雜的作用影響著礦物的性質，」機械工程與材料科學，物理學和化學副教授奧利維爾·德萊爾（Olivier Delaire）說，「最重要的方面是磁性和原子動力學之間的相互作用，這是一個尚未被廣泛研究的主題，但正在隨著計算機技術的發展而成為新的研究熱點。」
為了了解材料奇異行為的本質，Delaire和他的同事求助于田納西大學實驗凝聚態物理助理教授Haidong Zhou，以完成生長完美三方晶的艱巨任務。然後，研究人員將樣本帶到橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室，分別用中子和X射線對其進行爆炸。
當諸如中子或X射線等粒子從材料中的原子反彈時，研究人員可以利用這些散射信息來重建其原子結構和動力學。由於中子具有自己的內部磁矩，因此它們還可以揭示每個原子的磁自旋方向。但是，由於中子與原子的相互作用較弱，因此X射線也很容易解決材料的原子結構和微小晶體中的原子振動。研究人員使用在勞倫斯伯克利國家實驗室的超級計算機上創建的量子力學模型比較了兩次不同掃描的結果，以保證研究成果的準確性。
研究人員觀察了硫鐵礦的相變情況後，發現了以前看不見的作用機理。在高溫下，硫鐵礦原子的磁性自旋指向隨機方向，使材料無磁性。但是，一旦溫度降到602華氏度以下，磁矩就會自然對齊，從而產生磁性。
那些磁性自旋的排列改變了原子的振動動力學。這種移動會導致整個晶體原子結構略微變形，從而形成一個帶隙，電子無法跨越該帶隙。這導致硫鐵礦失去導電能力。
Delaire說：「這是第一個明確的例子，表明自旋的排列可以控制材料晶體結構的不穩定性。而且由於這些不穩定性導致晶體的磁性和電導率性質之間存在聯繫，因此，這是一種令人興奮的材料，使得構建新型器件成為可能。」
Delaire說：「通過施加電流來調節材料的磁性狀態的能力，反之亦然，對於實現諸如自旋電子學之類的技術至關重要。這個新興的領域簡稱為自旋電子學，旨在利用電子的固有自旋和相關的磁矩來存儲和操縱數據。結合電子在計算中的傳統作用，這將使計算機處理器變得更密集，更高效。」
通過這篇論文，Delaire和他的同事們確定了晶體結構畸變機理的磁性控制，為研究人員提供了一種操縱彼此的方式。雖然該方式當前基於溫度變化，但研究人員的下一步是研究施加外部磁場，以了解它們如何影響材料的原子動力學。
Delaire說，無論硫鐵礦是否成為下一代計算技術的「矽」，但在如此知名的材料中發現這種獨特的機制對於整個領域都是一個很好的發現。
論文標題為《Magnetically driven phonon instability enables the metal–insulator transition in h-FeS》。