难以捉摸的跃迁显示出普遍的量子特征

“假设你想把数十亿个电路元件放在一个微小的芯片上，然后在微观尺度上控制其中一个元件是金属的还是以受控方式绝缘的，”艺术与科学学院(A&S)物理学助理教授Debanjan Chowdhury说。“如果你可以通过轻弹开关来控制微观设备，那就太了不起了。

通过深入研究最近的实验结果，试图调和实验和理论，Chowdhury和博士候选人Sunghoon Kim发现，即使是任何现实生活中材料固有的微小缺陷，在揭示与实验金属到绝缘体过渡相关的通用物理学方面起着关键作用。了解这种神秘相变背后的物理学可能会导致新的复杂微观电路，超导体和奇异的绝缘体，这些电路可以在量子计算中找到用途。

“莫尔半导体中的连续莫特跃迁：长波长不均匀性的作用”于9月<>日发表在《物理评论快报》上。

在一篇有影响力的 2021 年《自然》论文中，由物理学教授 Kin Fai Mak(A&S)和应用与工程物理学(工程学)教授 Jie Shan 领导的康奈尔大学研究人员展示了一种材料中金属和绝缘体之间的过渡。哥伦比亚大学研究人员同时进行的一项实验报告了不同材料中的类似现象。

然而，实验结果与预测电阻应该如何表现的长期理论不符，2021年论文的共同作者乔杜里说。

科学家们已经使用了各种策略来寻求将金属变成绝缘体，Chowdhury说。一种是向材料中添加杂质，这些杂质充当屏障并阻碍电子的运动。但这种方法不是很灵活，他说，将金属制成绝缘体比相反更容易。

他说，另一种方法是逐渐耗尽金属中的电子供应 - 几乎就像“关闭水龙头”一样。这可以创建一个绝缘体，但通常没有任何有趣的特性，Chowdhury说。

“2021年康奈尔实验的真正令人兴奋的是，”乔杜里说，“他们想出了如何在不向系统添加杂质或改变电子数量的情况下将金属变成绝缘体。

Mak和Shan使用摩尔纹晶格 - 他们最近开创的一项创新 - 制作了两层2D半导体材料的三明治，然后在垂直方向上施加电场，在金属和绝缘体之间切换材料。

麻省理工学院的Senthil Todadri在2008年提出的一项理论预测，当材料接近从金属到绝缘体的过渡点时，材料的电阻将增加一个普遍的量 - 一个仅由自然基本常数控制的量。

“实验在实践中没有发现这是真的，”乔杜里说。“然而，与此同时，实验揭示了其他特征，清楚地表明在这个转变期间观察到的物理学是普遍的。

在分析2021年的实验时，Kim和Chowdhury牢记，本研究的共同作者Todadri的2008年理论是基于没有缺陷的完美晶体。

“为了解决这个难题，”乔杜里说，“我们最初的猜想也许不是这种转变在真实设备中实际表现的方式。真正的设备总是会有一些缺陷。但是，这些缺陷是否有可能有助于揭示金属到绝缘体过渡的普遍和有趣的特征?

Chowdhury说，随着实验人员改变了电场，由于少量固有的缺陷，材料的不同部分很可能在不同的电场值下经历了金属到绝缘体的转变。因此，流动的电子必须找到一条穿过这些绝缘区域“岛”的路径，嵌入金属的“海洋”中。

为了解释实验观察结果，研究人员得出结论，材料中有三种区域：金属，具有低电阻;绝缘体，具有非常大的电阻;和金属，但具有普遍的大阻力，仅受自然界基本常数的支配。Chowdhury说，将观察结果与理论联系起来有助于阐明由此产生的绝缘体的可能性质，这可能具有迷人和有用的特性。

它可能具有量子自旋液体的成分，其中电子的电荷从其自旋中释放出来，导致电子有效地分裂成新型涌现激发的状态。因为这种奇异的状态可以在非局部激发中编码各种信息，所以它被认为是迈向量子计算的关键一步。

“我们在理论上已经知道自然界中可能存在量子自旋液体，”乔杜里说，“但这些实验使我们更接近在实验室中实现它们的梦想。