现在来自波士顿学院、麻省理工学院和加州大学圣巴巴拉分校的一组研究人员，在探索莫特（Mott）绝缘体的属性时，揭示了这种独特材料从绝缘体转变为金属时难以捉摸的原子尺度磁信号，该研究团队现在在《自然物理》上发表了其研究发现。波士顿学院物理学助理教授Ilija Zeljkovic说：研究小组使用自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)对一种被称为莫特绝缘体材料类中的化合物进行了研究。
在原子水平上详细描述了这些绝缘体的基础物理，可以通过添加电子电荷将其处理成金属状态，这一过程称为掺杂。莫特绝缘体的特点是电子由于强烈的电子-电子相互作用而局部化，并且通常伴随着磁性有序化。在这种情况下，研究小组开发并研究了莫特绝缘体铱酸锶(一种氧化物)的表面，呈单晶形式。在许多复杂氧化物中，磁性有序化嵌入到其他相的空间不均匀景观中。该团队试图在单个原子长度尺度上进行测量，同时使用电荷和自旋灵敏度。
以便完全理解潜在的物理，这一过程尚未在任何复杂氧化物中实现。通过使用自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)，使得科学家们能够第一次进行这个实验。这些测量有助于理解反铁磁性莫特绝缘体是如何随着电荷载流子掺杂而演化的，这一点自发现原型掺杂莫特绝缘体以来一直困扰着科学家，这是一种铜氧化物高温超导体。通过跟踪其随电荷载体掺杂的演变，科学家发现：在低掺杂水平下，材料电子的均匀反铁磁有序在绝缘体到金属转变附近融化成碎裂的、“片状”的反铁磁有序。
这些结果促进了人们对莫特绝缘体独特特性的理解，也使自旋极化扫描隧道显微镜成为一种能够揭示复杂氧化物中原子尺度信息的强大工具。由于莫特态被扰动，在反铁磁性莫特绝缘体中解开具有电荷间隙的绝缘态和磁序之间的关系仍然很困难，测量原子长度尺度上的磁学和电学性质将提供关键的洞察，但这还有待实验实现。研究使用自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)来可视化来自相对论莫特绝缘体Sr2IrO4中反铁磁序的周期性自旋分辨调制。
以及它们如何作为掺杂的函数而改变，研究发现在绝缘体-金属转变(IMT)附近，长程反铁磁序熔化成具有短程关联的碎片态。至关重要的是，还发现短程反铁磁序与观察到的光谱间隙幅度局部不相关。这表明静态的短程反铁磁关联不太可能是导致光谱间隙非均匀闭合和在IMT附近出现伪隙区域的原因。研究工作使SP-STM成为揭示复杂氧化物中原子尺度磁信息的有力工具。
博科园｜研究/来自：波士顿学院
参考期刊《自然物理》
DOI: 10.1038/s41567-019-0671-9
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