大多数现代电子设备依靠微小的、调谐良好的电流来处理和存储信息。这些电流决定了我们电脑的运行速度、心脏起搏器的工作频率以及我们存储在银行里的钱的安全性。

在《自然物理》杂志上发表的一项研究中，英属哥伦比亚大学的研究人员展示了一种全新的方法，通过利用电子的自旋(即其固有的量子磁场)和围绕原子核的轨道旋转之间的相互作用来精确控制这种电流。

“我们发现了一种新的方法，可以将材料中的导电开关从开到关。”该研究的第一作者Berend Zwartsenberg说，他是不列颠哥伦比亚大学斯图尔特布吕松量子物质研究所(SBQMI)的博士生。“这一激动人心的结果不仅扩展我们对导电机理的理解，还将帮助我们进一步探索已知的性质，如导电性、磁性和超导性，并发现可能对量子计算、数据存储和能源应用很重要的新性质。”

打开金属-绝缘体转换开关

从广义上讲，所有的材料都可以归类为金属或绝缘体，这取决于电子通过材料和导电的能力。

然而，并不是所有的绝缘体都是一样的。在简单材料中，金属和绝缘性能的区别在于电子的数量:金属是奇数，绝缘体是偶数。在更复杂的材料中，如所谓的莫特绝缘体，电子以不同的方式相互作用，以一种微妙的平衡来决定它们的导电。

在莫特绝缘体中，静电斥力会阻止电子彼此靠得太近，从而造成“交通堵塞”，限制电子的自由流动。到目前为止，有两种已知的方法可以缓解交通堵塞:一种是降低电子之间的排斥力，另一种是改变电子的数量。

SBQMI团队探索了第三种可能性:是否有一种方法可以改变材料的量子特性，使金属-绝缘体的转变成为可能?

利用一种叫做角分辨光电子能谱的技术，研究小组检测了莫特绝缘体Sr2IrO4，监测了电子的数量，它们的静电斥力，以及电子自旋和轨道旋转之间的相互作用。

Zwartsenberg说:“我们发现，自旋与轨道角动量的耦合会使电子减速，以至于它们对彼此的存在变得非常敏感，从而导致交通堵塞。”“减少自旋轨道耦合进而缓解交通堵塞，我们能够首次使用这种策略演示从绝缘体到金属的过渡。”

“这是一个在基础物理水平上非常令人兴奋的结果，并扩展了现代电子技术的潜力，”SBQMI的首席研究员和科学主任Andrea Damascelli说。“如果我们能对量子物质的这些阶段及其涌现出的电子现象有一个微观的理解，我们就能通过一个原子一个原子地设计量子材料来开发它们，用于新的电子、磁性和传感应用。”