莫特绝缘体？铜氧化物陶瓷中令人惊讶的电子无序

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博科园：本文为超导/量子物理学类

铜酸盐是一种铜氧化物陶瓷，在一个扁平的方形晶格中，铜和氧原子共用一个构造块。人们研究了它在相对高温下的超导能力。然而，在它们的原始状态下，它们是一种特殊的绝缘体(一种不易导电的材料)，称为莫特绝缘体。当电荷载体（电子或缺少电子，即所谓的“空穴”）在一种称为掺杂的过程中被加到绝缘体上时，绝缘体可能变成一种易于导电的金属，或一种可以根据环境导电的半导体。然，铜酸盐的行为既不像普通绝缘体，也不像普通金属，因为它们的电子之间有很强的相互作用。为了避免这些相互作用所产生巨大能量消耗，电子自发地以一种集体状态组织起来，在这种状态下，每个粒子的运动都与其他粒子的运动联系在一起。一个例子是超导态，当施加电势时，电子一致移动，并以零净摩擦的方式漂移。

博科园-科学科普：另一种集体电子状态是“电荷密度波”，这个术语是由电子密度的波状调制而来，在这种调制中，电子“冻结”成周期性和静态的模式，同时阻碍电子流动。这种状态与超导状态相反，因此研究和理解超导状态非常重要。在铜酸盐中，电荷密度波更倾向于与构成底层晶体结构的铜原子和氧原子的原子行排列在一起，根据材料和掺杂水平，波“波峰”每3到5个单位出现一次。麻省理工学院研究人员利用一种名为共振x射线散射的技术，研究了掺有额外电子的两种不同铜酸盐化合物钕氧化铜(Nd2CuO4或NCO)和镨氧化铜(Pr2CuO4或PCO)中的电荷密度波。研究揭示了这种材料的一个阶段，其中电子落入无序的，或“玻璃状”排列，被称为“威格纳玻璃”。

麻省理工学院研究人员在超薄氧化铜陶瓷超导体上进行的实验显示，电子呈现出一种意想不到的无序排列，或称“玻璃状”电子排列，被称为“威格纳玻璃”。左边的“傅立叶空间”，也就是动量空间，显示了证明电荷波沿任何方向排列的衍射数据，而右边的图像则显示了电子在“真实空间”中的随机位置。图片：Min Gu Kang

这项研究结果最近发表在《自然物理》上。共振x射线散射是近年来发展起来的一种衍射技术，它不像传统的x射线衍射那样只对原子进行晶体分析，而是对电子进行晶体分析。“在掺杂电子浓度较低的极限下，研究人员观察到一种全新的、意想不到的电子相位，它既不是超流体，也不是晶体，而是具有威格纳玻璃的特征。”在这个阶段，电子形成一种没有任何定向偏好的集体状态。这种电子无定形玻璃在这类材料中是前所未有的。这种现象只出现在电子掺杂的一个狭窄窗口中。论文的第一作者闵谷康解释说：有趣的是这种奇异的新状态只存在于这种材料电子相图的一小部分，当更多的电子掺杂在(氧化铜)平面上时，一种更传统的电子晶体就会被恢复，其波纹与底层原子晶格的晶体轴相一致，”该。

由Comin，研究生Kang和博士后Jonathan Pelliciari组成的MIT团队设计了这个项目并领导了大部分的实验。他们的研究是由于世界各地不同机构和设施的研究人员的贡献而得以实现。共振x射线散射测量在多个同步加速器设施下进行，包括在德国的柏林电子存储环，在萨斯卡通的加拿大光源，萨斯喀彻万和在加利福尼亚伯克先进的光源。这些氧化铜薄膜样品是在日本NTT基础研究实验室培育。理论分析是由印度科学研究所的研究人员开发。Comin指出，提出的理论解释了电子带结构在控制周期性间隔和密度波的定向偏好方面的作用，密度波作为掺杂水平的函数在这种材料中。理论表明，这些电子波纹最初是不规则形状，很可能是在材料的缺陷或杂质周围成核。当载流子密度增加时，电子设法找到一种更有序的排列方式，使系统的总能量最小化，从而恢复在所有铜氧化物超导体家族中普遍观察到更传统的电荷密度波。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校福克斯家族(Fox Family)工程学教授彼得•阿巴蒙特(Peter Abbamonte)开发了共振软x射线散射技术。注意到铜酸盐中的电荷密度波(CDW)阶在十多年来一直是该领域的中心，没有参与这项研究的Abbamonte解释说：以前的理解是，CDW阶固定在晶格上，这意味着电荷密度波必须指向两个垂直方向中的一个，但不可能介于两者之间，这一传统观点是建立在20年的共振散射和扫描隧道显微镜实验的基础上，这些实验一直证明了这一点。Comin对这些特殊的掺杂电子的铜酸盐的研究表明：在玻璃相中，电荷顺序可以指向任何方向，而不依赖于它所处的晶格。更准确的说法是，CDW阶参数不像通常假设的那样是离散的(也就是说，只取离散值，在这种情况下取两个:x或y)，而更像x – y阶参数(也就是说，可以自由选择连续范围内的任意值，比如x和y之间的所有方向)，它只受晶体的微弱影响。

需要一些时间来充分理解这一认识及其对理解CDW秩序的相关性的影响。很明显，里卡多的论文将导致对游戏规则的认真重新思考，从这个意义上说，这是该领域的一大进步。超导体在量子计算、无损能量传输、磁感应和医学诊断成像、等离子体和核聚变电力技术等革命性应用方面有着巨大的、基本上尚未开发的潜力。总的来说，研究揭示了高温超导体中载流子精致的量子特性的另一种表现形式，这种量子特性最终源于电子相互作用的本质。这项研究工作中发现电子的详细行为为高温超导是如何从Mott绝缘体中产生的提供了新的见解，并有望用截然不同的现象在相图的区域之间架起一座桥梁。