通过机器学习、电子显微镜和局部电阻率测量辅助的 X 射线纳米衍射描绘了在金属-绝缘体转变过程中在薄膜莫特绝缘体中自发形成的新型超晶体态。图片来源：奥列格·戈罗布佐夫

康奈尔大学领导的一个研究小组发现了以前在金属绝缘材料中未观察到的超晶体形成，这可能会为设计具有可调电子特性的材料和设备开辟新的方法。

研究人员发现，薄膜莫特绝缘体Ca2RuO4中的原子结构由于量子效应，可以在金属和绝缘体之间切换的独特材料家族的一部分，在低于 200 至 250 开尔文的温度下形成各向异性、有组织的图案，具有多个空间周期。6月17日，《先进材料》（Advanced Materials）杂志详细介绍了自发超晶体的形成。

“这是一个很好的例子，说明复杂性源于简单性，”该研究的主要作者、博士后研究员奥列格·戈罗布佐夫（Oleg Gorobtsov）说。

“通常，要制造超晶体，你必须人为地将多层不同的材料相互叠加。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一个例子。

这一发现是材料科学与工程副教授、该研究的资深作者Andrej Singer研究小组开发的分析技术的结果。2023 年，Singer 等人展示了高功率 X 射线、相位恢复算法和机器学习的结合如何提供纳米尺度的材料真实空间可视化。

该技术揭示了一种新型的应变诱导纳米图案，该图案在Ca2RuO4中自发形成在冷却至低温期间。通过缩小，最新研究表明，10纳米结构被嵌入到更大的超晶体中。

“通过利用最先进的合成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取向决定了电子特性，”辛格说。“这本质上是一个开关，可以控制电流如何流过，为节能电子设备提供了潜在的进步。”

莫特绝缘子的多功能控制能力使其成为各种应用的理想材料，包括内存元件和光学开关。可切换结构，例如Ca2RuO4根据戈罗布佐夫的说法，可以提供一种强大的手段来影响相互竞争的地面状态之间的能量平衡。

“我们不仅可以在导电性和非导电性之间进行切换，而且还可以在电流的优先方向上获得这种开关，”戈罗布佐夫说，“这为我们提供了一个新的杠杆来控制技术相关的特性，可能不仅在这种材料中，而且在其他材料中也是如此。

更多信息：奥列格·于.Gorobtsov 等人，应变工程金属-绝缘体转变过程中的自发超晶体形成，Advanced Materials （2024）。DOI： 10.1002/adma.202403873

期刊信息： Advanced Materials