在开关金属绝缘体中发现自发超晶体

康奈尔大学领导的研究小组发现了一种以前从未在金属绝缘材料中观察到的超晶体形成，这可能为设计具有可调电子特性的材料和设备开辟新方法。

研究人员发现，薄膜莫特绝缘体 Ca 2 RuO 4的原子结构(属于一种独特的材料家族，由于量子效应，这种材料可以在金属和绝缘体之间切换)在 200 至 250 开尔文以下的温度下形成具有多个空间周期的各向异性有序图案。6月 17 日， 《先进材料》杂志详细介绍了这种自发超晶体的形成过程。

这项研究的主要作者、博士后研究员奥列格·戈罗布佐夫 (Oleg Gorobtsov) 说：“这是由简单引发复杂性的一个很好的例子。”

“通常，要制造超晶体，你必须人工设计多层不同的材料层。这是一个相对简单的系统如何展示具有不同长度尺度的非常复杂的相域层次结构的例子。”

这项发现是材料科学与工程副教授、该研究的资深作者 Andrej Singer 研究小组开发的一种分析技术的成果。2023年，Singer 等人展示了如何结合高功率 X 射线、相位恢复算法和机器学习来提供纳米级材料的真实空间可视化。

该技术揭示了一种新型应变诱导纳米图案，该图案在冷却至低温时自发形成于 Ca 2 RuO 4中。通过缩小，最新研究表明，10 纳米结构嵌入更大的超晶体中。

“通过利用最先进的合成技术与结构和电子特性表征之间的协同作用，我们能够证明这种更大结构的方向决定了电子特性，”辛格说。“这本质上是一个可以控制电流通过方式的开关，为节能电子产品提供了潜在的进步。”

莫特绝缘体的多功能控制能力使其成为各种应用的理想材料，包括存储元件和光开关。Gorobtsov 表示，可切换结构(例如 Ca 2 RuO 4中的超晶体状态)可以提供一种影响竞争基态之间能量平衡的强大手段。

“我们不仅实现了导电性和非导电性之间的切换，还实现了电流优先方向的切换，”Gorobtsov说，“这为我们提供了一个控制技术相关特性的新杠杆，可能不仅适用于这种材料，也适用于其他材料。”