陶瓷中的氧化铝是惰性的吗（铜氧化物陶瓷表现出奇特的电子无序状态）

麻省理工学院的研究人员在超薄氧化铜陶瓷超导体上进行的实验显示，电子呈现出一种奇特的无序排列状态。这种电子的“玻璃状”排列也被称为“威格纳玻璃”。左图的“傅立叶空间”（动量空间）显示了电荷沿任意方向排列的衍射数据。右图则显示了电子在“实空间”的随机位置。

铜酸盐是一种铜氧化物陶瓷，铜、氧原子在一个扁平的方形晶格中共用一个构造块。科学家研究了它在相对高温下的超导能力。然而，在其原始状态下，酮酸盐又是一种特殊的绝缘体（莫特绝缘体）。当电荷载体（“空穴”）通过掺杂过程添加到绝缘体中时，绝缘体既可能变成导电的金属，也可能变成半导体。然而，铜酸盐的行为方式却很特殊——由于它的电子之间有很强的相互作用，因此它既不像普通绝缘体，也不像普通金属。为了避免强相互作用产生的巨大能量消耗，电子会自发地以一种集体状态组织起来。在这种状态下，每个粒子的运动都与其他粒子的运动紧密联系在一起。在酮酸盐中，“电荷密度波”更倾向于与构成底层晶体结构的铜原子和氧原子的原子行产生关联。根据材料和掺杂水平的不同，“波峰”的出现频率也不同。

据phys.org网站1月29日报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员在《自然·物理学》中发文称，他们利用共振X-射线散射技术，研究了掺有额外电子的两种不同铜酸盐化合物钕氧化铜(文中简称NCO)和镨氧化铜(文中简称PCO)中的电荷密度波。研究人员发现，在对这类材料进行掺杂的某个阶段中，电子会进入无序态。电子的这种“玻璃状”排列，也被称为“威格纳玻璃”。论文资深作者、MIT物理学助理教授Riccardo Comin说：“当掺杂电子的浓度较低时，我们观察到了一种全新的电子相位，它既不是超流体，也不是晶体，而是具有威格纳玻璃特征的奇特电子状态。在这一阶段，电子形成的是一种没有定向偏好的集体状态。”论文第一作者Min Gu Kang补充说：“有趣的是，这种奇特的新状态只存在于材料中的极小范围内，当更多的电子掺杂进入氧化铜时，材料又会恢复成传统的电子晶体态。”

Comin指出，他们的理论表明，这类材料的电荷密度波最初的形状是不规则的，成核现象很可能发生在材料的缺陷或杂质附近。当载流子密度增加时，电子会自发找到一种更有序的排列方式，使系统的总能量最小化，这就使研究人员再次观察到了在铜氧化物超导体中普遍观察到的传统电荷密度波。Comin等对掺杂电子的铜酸盐的研究表明，在玻璃相中，电荷顺序可以指向任何方向，而不依赖于它所处的晶格。Comin说：“总的来说，我们的研究揭示了高温超导体中载流子量子特性的另一种表现形式，这种量子特性的根源来自电子之间的相互作用。这项工作中发现的特殊电子行为将为莫特绝缘体的高温超导行为提供新见解。”

编译：雷鑫宇 审稿：三水 责编：张梦

期刊来源：《自然·物理学》

原文链接：https://phys.org/news/2019-01-electronic-disorder-copper-oxide-based-ceramic.html

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