人行道上的水坑冻结了，你的加湿器抽干了水蒸气，盐卡车融化了冰冷的街道——芝加哥的冬天充满了被称为“相变”的物理现象的例子，在这种现象中，物质改变了状态。物理学家被这一现象所吸引，这一现象在从基础汽轮机到核磁共振成像的技术中都很有用。
在《自然》杂志12月18日发表的一篇论文中，著名的芝加哥大学物理学家彼得·利特尔伍德和他的同事提出了一种被称为过渡金属氧化物的材料从导体到绝缘体转变的最完整的图景。值得注意的是，他们提出了一个解释，这个解释是关于分子中一个叫做“植物离子”的部分的一个意想不到的作用，这个过程之前一直困扰着理论学家。
这种氧化物因其许多吸引人的电子和磁性而使科学家着迷;这一发现可能会推动对新技术的探索，比如更好的电池和电子产品。
“调整和控制这种金属-绝缘体的过渡已经成为许多令人兴奋的新物理和有前途的材料应用的来源，如低功率和超快微电子，”Littlewood说，他在阿贡国家实验室的材料科学部门的联合任命。
一种叫做相关氧化物的材料非常有用;科学家们通过研究当这些氧化物从几乎没有电阻(即类似金属)导电转变为不导电(即不导电)时会发生什么，获得了许多深刻的见解。绝缘体)。这可能是由于温度、压力或其他外部场的变化造成的。
利特尔伍德说:“过去科学家通常通过增加电子来调整这种金属-绝缘体的过渡。”其他人几十年来的研究表明，在氧化物的晶体结构中调整电子上不活跃但结构上重要的“植物离子”的大小也对转变温度有很大的影响;然而，造成这种影响的原因还没有被很好地理解。
即使它在电子上是不活跃的，“植物离子”的大小可以改变金属-绝缘体转变的温度——从绝对零度到远高于室温。(转变温度越高，对实际应用越有吸引力)。
该团队的研究主要集中在一种重要的过渡金属氧化物——钙钛矿上。与氧一起，这些氧化物结合了电子活性离子和电子非活性植物离子。后者离子可以是许多稀土元素或碱土金属中的任何一种。因此，科学家可以选择它的原子大小相对较小或较大，而不改变相关的化学。
关键的发现是确定稀土或碱土金属的大小的影响。改变这个元素的大小会改变倾斜的角度，倾斜的角度被引入到组成钙钛矿晶体的八边单元中。反过来，增加倾斜角度导致各种扭曲和运动的八面单元，可以拉伸，收缩和旋转作为内应力的结果。
利特尔伍德说:“正是这些弹性自由度的动态波动导致了所观察到的热效应，这些热效应发生的温度远远低于早期纯粹基于电子活性离子的模型。”
在上述机理的基础上，该团队构建了一个理论，该理论捕捉了由植物离子尺寸引起的倾斜角、金属-绝缘体转变的温度和钙钛矿晶体结构的无序程度之间的关系。从绝对零度到600华氏度以上，相对简单的理论计算与实验结果吻合良好。
利特尔伍德说:“重要的是，我们的理论研究不仅适用于一种材料，而且适用于一整类材料，而且有许多可能的应用，包括一些与正在进行和计划中的阿贡研究项目有关的应用。”
例如，在新一代微电子学的新兴研究领域，改进的金属-绝缘体过渡的调谐和控制有望使模拟大脑过程的计算机在低功率和超快微电子学方面实现巨大飞跃。
此外，阿贡的世界级电池项目的科学家们可能会利用这一理论为下一代锂离子电池设计更好的阴极材料提供灵感。利特尔伍德的研究团队的一些灵感来自于芝加哥大学校友约翰·古德纳(John Goodenough)几十年前对金属-绝缘体过渡的开创性研究。古德诺将这种理解转化为发明锂离子电池的灵感，并于今年因其工作获得诺贝尔化学奖。
加入利特尔伍德研究项目的是吉安·古兹曼-韦里(Gian Guzman-Verri)，他当时是阿尔贡的博士后研究员，现在在哥斯达黎加大学(University of Costa Rica);Richard Brierley，当时是剑桥大学和耶鲁大学的研究员，现在是自然通讯的研究员。
引文:“协同弹性涨落提供了金属-绝缘体跃迁的调谐。“自然。doi: 10.1038 / s41586 – 019 – 1824 – 9。
资助:美国能源部基础能源科学办公室，哥斯达黎加大学负责研究的副校长。
-改编自Joe Harmon的一个故事，这个故事最初出现在Argonne国家实验室的网站上。