绝缘材料的惊人物理特性为更快的技术提供了途径

康奈尔大学领导的研究人员在金属绝缘材料中发现了一种不寻常的现象，通过更快地在物质状态之间切换，为设计具有新特性的材料提供了有价值的见解

莫特绝缘体是一类具有独特电子特性的材料，包括可以被光等刺激操纵的材料。这种独特性质的起源尚不完全清楚，部分原因是在真实空间中对材料的纳米结构进行成像，并捕捉这些结构如何以万亿分之一秒的速度发生相变，这是一项具有挑战性的任务

发表在《自然物理学》上的一项新研究揭示了莫特绝缘体Ca2RuO4在激光刺激下的物理性质。研究人员以前所未有的细节观察了该材料的电子和底层晶格结构之间的相互作用，使用超快X射线脉冲捕捉激光激发后临界皮秒内Ca2RuO4结构变化的“快照”

结果出乎意料——电子重排通常比晶格重排快，但在实验中观察到了相反的结果

“通常情况下，快电子会对刺激做出反应，并拖动慢原子，”主要作者、材料科学与工程博士后学者Anita Verma说。“我们在这项工作中发现的不寻常之处在于：原子的反应比电子快。”

虽然研究人员不确定原子晶格为什么会移动得如此之快，一种假设是，这种材料的纳米结构为其提供了成核点，有助于重新排列晶格，类似于过冷冰如何在水中杂质周围最快形成

这项研究建立在2023年的一篇论文的基础上，在该论文中，材料科学与工程高级作者兼助理教授Andrej Singer和其他科学家使用高功率X射线、相位检索算法和机器学习，在纳米尺度上获得了同一材料的真实空间可视化

Singer说：“将这两个实验结合起来，我们发现在像这样的一些材料中，我们可以非常快地切换相位——比其他没有这种纹理的材料快100倍左右。”。“我们希望这种效应是加快开关速度的一般途径，并在未来产生一些有趣的应用。”

Singer说，在一些Mott绝缘体中，应用包括开发绝缘状态下透明的材料，一旦激发到金属状态，就会迅速变为不透明的材料。潜在的物理学也可能对未来更快的电子技术产生影响

Singer的研究小组计划继续使用相同的成像技术来研究当纳米纹理薄膜受到外部刺激时产生的新的物质相