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导电还是绝缘?这是个问题
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-07-09 16:52

图片说明:图为博士生Maria Kiourlappou手拿着一小块SmB6物质。图片来源:Suchitra Sebastian


研究人员在最近的一项研究中发现了一种具有神奇特性的物质,通过实验发现它是绝缘体,但同时也会表现出导体的性质。我们知道,在绝缘体中,电子大多局限在一个区域,而导体中的电子是自由移动的。这一研究成果大大挑战了人们过去对物质导电行为的理解。

导体,诸如金属等是可以导电的;而绝缘体,诸如橡胶或玻璃等,阻断了电流。通过跟踪电子在物质中移动的路径,日前由英国剑桥大学(University of Cambridge)领导的研究人员发现,同一种材料可以一次展示出金属和绝缘体两种特性。尽管此现象是在极低的温度条件下观测而得,它完全违背了传统金属的相关知识。研究人员还不清楚导致这种异常现象的原因,他们猜测可能是由于第三相的存在,即既不是绝缘体也不是导体。

研究人员是在六硼化钐(SmB6)中发现了这种金属和绝缘体并存的现象。最近发现的一种物质也表现出此种特性,但它是一种三明治结构(夹层结构),因此其表面性质和体性质不同。而在SmB6中,物体本身就表现出导体和绝缘体并存的现象。

剑桥大学卡文迪什实验室的Suchitra Sebastian博士(本项研究的领导者之一)表示:“金属性和绝缘体特性在同一物体中并存的现象,使得我们可以推翻过去几十年里研究所得,关于金属和绝缘体之间的根本区别。”

为了更进一步地区了解SmB6和其他相关材料,Sebastian和他的同事们追踪了电子在物质中运动的轨迹,即由电子轨道追踪得到的几何表面可构建出费米面。为了找到费米面,研究人员使用一种基于量子振荡的测量方法,在高强度磁场下能测量得到很多关于此材料指纹信息的性质。要想观察到量子振荡态,物体必须尽可能地接近于纯态,即必须有尽可能少的缺陷。这些研究的关键实验都是在美国佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室(National High Magnetic Field Laboratory)中开展的。

SmB6是一种Kondo绝缘体,它的性质接近绝缘体和导体之间的界限。Kondo绝缘体是重费米子材料的一种,其复杂的物理现象源自于其中两种电子的相互作用,一种是高度局域化的f电子,一种是含有较大轨道的d电子。而对于SmB6,这两种电子之间的相互作用即导致了其绝缘体特性。

Sebastian指出:“这是一种具有天壤之别两种性质的物体,其较高的电阻值说明其绝缘特性,而费米面的存在则预示着它是一种性能较好的金属。”

此种物质的神奇性远不止此。在接近于0K(-237摄氏度)的极低温度下,SmB6的量子振荡现象没有显示出传统金属的特征。金属中,随着温度降低,量子振荡的幅度先增加然后趋于平稳状态。而在SmB6中,随着温度的降低,量子振荡的幅度一直急剧增长,这与传统金属中所观测得到的现象不同。

研究人员认为此种现象可能有以下几种原因:可能存在一种既不是绝缘体也不是导体的新型相;也有可能是SmB6在绝缘体和导体中来回转换;或者是在SmB6中,绝缘体和导体行为界限不明显,电子运动可以跨越此界限。

Sebastian还说道:“比如,在磁性相和非磁性相之间的交叉区域中,也存在很多有趣的物理现象。此物质也类似于导体和绝缘体之间的交叉区,也表现出很多奇特的性质,因此我们正进一步研究是否存在一种新型量子相位。”(科学之家,译审:Kong)

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