在凝聚态物理学领域，很少有现象像莫特绝缘体一样吸引物理学家的好奇心。
根据传统理论，这类奇怪的材料应该能够导电，但它们大多表现为绝缘体。更奇怪的是，当添加电子时，该材料实际上可以变成超导体，以零电阻传导电流。然而，无论添加多少电子，它也可以保持绝缘体状态。这种极端相反的反应几十年来一直困扰着科学家，但其中一些谜团可能即将解开。
布朗大学的科学家与一个国际研究小组合作开发了一种新颖的理论，并通过一系列实验室实验对其进行了验证，首次从根本上解释了为什么一种莫特绝缘体即使添加电子也顽固地抵抗导电。
“这是我们物理学家第一次从微观角度理解为什么我们所观察的特定类型的莫特绝缘体从未变成导体，”布朗大学物理系主任、教授 Vesna Mitrović 说道，他领导着该大学的凝聚态磁共振小组，也是这项新研究的合著者。“这项研究提供了一个非常基本的图景，解释了为什么它可能永远无法成为导体。主要的结论是，这种材料可用于其他电子应用，但不能变成导体。”
这项研究 发表在《自然通讯》杂志上 ，由博洛尼亚大学、维也纳大学、帕尔马大学、巴黎理工学院、法兰西学院和俄亥俄州立大学的研究人员合作完成。这项研究最初是布朗大学和博洛尼亚大学研究人员之间进行的一项不相关的凝聚态物理实验。
这项研究的重点是一种名为 Ba 2 Na 1 −OsO 6的莫特绝缘体。这种材料被称为相对论性莫特绝缘体，因为它表现出强自旋轨道耦合，即电子之间强烈相互作用，并且它们的自旋与它们在各自轨道上的运动方式紧密相关。从本质上讲，这使得这种材料偏离了更常见的物理学预测，从而可能产生一些特殊的电子行为。正因为如此，这种材料，以及更普遍意义上的整个相对论性莫特绝缘体类别，引起了科学界的极大关注和投入，以了解和控制其特性。
科学家认为，这种材料与同类材料一样，可以通过添加电子电荷来进入或退出莫特绝缘状态。这项新研究解释了这种莫特绝缘体中以前看不见的粒子如何在量子水平上相互作用，从而阻止它变成导体，即使添加了许多额外的电子也是如此。
米特罗维奇说：“这种新的认识可以让研究人员节省尝试不同方法的大量时间、投资和精力。”
研究人员发现，关键在于一种意想不到的粒子集合，即双极子，当电子电荷添加到材料中时，就会形成这种粒子。通常，电子会均匀地分布在金属中，但在这里，一些带电电子在添加时会卡在材料的某些位置。这些被捕获的电子与材料的晶格结构结合在一起，形成双极子。然后，双极子就像电子的路障，使它们难以移动和导电。即使试图通过添加更多电子来克服这一障碍，双极子也会确保电子继续被卡住，无法自由移动。最终，这就是使材料保持绝缘体的原因。
这种意外行为让科学家们感到困惑，因为它违背了人们对材料如何响应电子结构变化的通常理解。这就是为什么这项研究的结果让研究人员大吃一惊，而且考虑到这种相互作用之前从未被研究过，该理论的计算花了四年时间才完成。
米特罗维奇说：“根据我们对当前物理学的理解，这种情况不应该发生。”
研究人员现在希望测试他们的新理论和实验技术，看看双极化子在相对论莫特绝缘体中的分布有多广泛。
米特罗维奇说：“看看是否存在可以将相对论性莫特绝缘体变成导体的情况，或者这是否真的具有普遍性，这将会很有趣。”
除了米特罗维奇，布朗大学的其他作者还包括研究生埃里克·加西亚 (Erick Garcia) 和荣聪 (Rong Cong)。维也纳大学和博洛尼亚大学的 Cesare Franchini 和 Lorenzo Celiberti 在研究布朗大学米特罗维奇实验室和博洛尼亚大学的研究人员 Samuele Sanna 以及帕尔马大学的研究人员 Giuseppe Allodi 的意外实验结果时发现了双极子。