トラップされた電子のおかげで、導電性金属であるはずの材料が絶縁体のままになる

2023 年 7 月 14 日

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米国エネルギー省による

新しい研究により、特殊な材料がどのようにして導電性の金属から電気絶縁体に変化するのか、その背後にあるメカニズムが明らかになりました。 研究者らは、量子材料La2NiO4に由来するランタンストロンチウムニッケル酸化物（La1.67Sr0.33NiO4）を研究した。 量子材料には、電子の相互作用に起因する異常な特性があります。 臨界温度以下では、ストロンチウムをドープした材料は絶縁体になります。 これは、導入された正孔が磁性領域から分離され、「ストライプ」が形成されるためです。 温度が上昇すると、これらのストライプは変動し、240K で溶けます。 この温度では、研究者らは材料が導電性金属になると予想しました。 代わりに、それは断熱材のままです。 中性子散乱は、この興味深い現象に光を当てます。 結果は、電子をトラップして電気伝導を妨げる特定の原子振動のため、材料が絶縁体のままであることを示しています。

量子材料には、それらの材料を構成する部品によっては予測されない特性があります。 たとえば、金属から絶縁体に変化したり、超伝導体として機能したりすることができます。 これらは科学技術への応用に大きな期待を抱いています。 この研究では、1 つの量子材料における金属 - 絶縁体転移における電子 - フォノン相互作用の調整可能性について説明します。 この結果は、電子が強く相互作用する材料の理論モデルを検証するのに役立ちます。 これらの理論は、科学者が将来の技術のための新しい量子材料を設計するのに役立ちます。

金属では、電子は結晶構造によって強制される軌道に沿って飛行する自由粒子と考えることができます。 ここ数十年で、科学者たちは、電子が互いに強く反発し、ホスト結晶内の原子振動を跳ね返す新しい材料を発見しました。 これらの材料は、珍しい、技術的に有用な特性を示します。 これらの特性には、磁場中での劇的な電気抵抗の低下、表面のみの電子伝導、高温超伝導などが含まれます。 さまざまな材料におけるこれらの特性を理解することは、科学界にとって依然として大きな課題です。

この研究では、オークリッジ国立研究所 (ORNL) のエネルギー省ユーザー施設である破砕中性子源で高強度中性子ビームを使用し、ランタン (La) 原子の 6 分の 1 が置換された原型の量子材料 La2NiO4 の内部を深く観察しました。ストロンチウム (Sr) 原子を含む (La1.67Sr0.33NiO4)。 チームには、コロラド大学ボルダー大学、ORNL、ブルックヘブン国立研究所、日本の理化学研究所創発物性科学研究センターの研究者が含まれていました。 これらの材料は、電子スピンとストロンチウムのドーピングにより導入された正孔との間の複雑な相互作用から生じる、いわゆる「ストライプ」秩序により、低温では絶縁性を有する。 ドープされた材料は、ストライプが溶けると 240K を超えると金属になると予想されます。 ただし、素材は断熱性を保ちます。 この共同作業により、穴と酸素イオンの特定の振動との間の強い摩擦が明らかになり、同様の構造の他の材料でもこの相互作用の証拠が見つかりました。 この微細なメカニズムは、さまざまな量子技術に役立つ珍しい特性を備えた新材料の設計に道を開く可能性があります。

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