東京大學物性研究所的松田康弘副教授等人與岡山大學異領域基礎科學研究所的村岡祐治副教授等人透過合作開展研究發現，微量添加鎢（W）的二氧化釩（VO2：W6％）在全球最強的500特士拉磁場下，能由絕緣體變爲金屬。VO2在約67℃的溫度下會由低溫時的絕緣體狀態相變爲金屬，是有望應用於開關和感測器的功能性材料之一。不過，由於其強電子相關，即使在已經被發現60多年的今天，依然沒有充分查清由絕緣體變爲金屬的機制。
此次，研究團隊發現了自旋在絕緣體與金屬轉變程序中發揮根本性作用的直接證據，應答相變機制的主要原因是釩原子間形成了分子軌域。這項成果將爲開發在室溫下工作的量子功能元器件做出巨大貢獻，比如今後有望實施的自旋控制開關元件等。
在實驗中，研究團隊透過近紅外光雷射的光透射強度檢測出了磁場引起的電導率變化。在絕緣體狀態下，光透射率比較高，但變爲金屬後，透射率急劇減量，因此可以發現電導率的變化。實驗樣本除VO2外，還準備了添加鎢（W）的V1-xWxO2（x=0.036、0.06）。因爲此前就發現，添加W可以降低轉變溫度，x較大的樣本被認爲更容易觀測到磁場效應。另外，爲避免施加磁場時的渦流引起發熱，採用了岡山大學異領域基礎科學研究所利用脈衝雷射沉積法成長獲得的薄膜晶體。
圖1是V1-xWxO2（x=0.06）薄膜在1.977μm下的光透射強度磁場依賴性測量結果。在14克耳文的溫度下觀察到，透射強度從磁場超過100特士拉時開始減小，到500特士拉時變爲金屬狀態。而在x=0.036晶體中，磁場達到200特士拉以上時就觀察到金屬化跡象，VO2（x=0）則在540特士拉以内始終保持絕緣性。
圖1：V1-xWxO2（x=0.06）薄膜（膜厚15奈米，TiO2基底層）在雷射波長爲1.977μm時的光透射強度磁場依賴性。觀察發現，在14克耳文的溫度下，施加約500特士拉的磁場時，會由絕緣體變爲金屬。插圖用磁場的函數表現了磁場引起的透射光強度變化。與溫度基本沒有關係，從100特士拉左右開始向金屬轉變，由此可見，該相變存在閾值磁場。
圖2用相對比例尺顯示了光吸收係數的磁場依賴性。此次測量的薄膜晶體的金屬-絕緣體轉變溫度TMI在x=0.06、0.036和0時分別約爲100、200和300克耳文，研究發現，隨着TMI升高，金屬化所需的磁場也會升高。在0.036下，預計完全實施金屬化需要約600特士拉的磁場，在VO2（x=0）下可能需要1000特士拉以上的磁場。
圖2：V1-xWxO2（x=0,0.036,0.06）薄膜在吸收係數α爲相對變化量時的磁場依賴性。αM和αI分別是零磁場時的高溫金屬狀態和低溫絕緣體狀態的吸收係數。可以看出，x=0時，540特士拉以下的磁場不會引起金屬化。x=0.036時，因實驗時磁場發生裝置的放電開關同步性不良，最大磁場只有360特士拉，但在200特士拉左右觀測到了金屬化跡象。
本次研究發現的基於自旋控制的金屬化強烈表明，VO2的電子局部化是釩原子之間形成分子軌域引起的。圖3是關於磁場感應金屬化機制的模式圖。研究認爲，透過平行控制自旋，分子軌域的鍵結軌域會變得不穩定，而且二聚合化的釩原子會變爲獨立的狀態。由此，促進分子軌域形成的電子失去局部性，可以促進金屬傳導。中子星等在理論上預測了磁場引起的分子軌域塌陷現象，但在利用人工磁場的地球環境下甚至都沒想過這種現象，此次的發現具有劃時代的意義。
圖3：觀測到的磁場引起的金屬化的分子軌域塌陷模式圖。左側的圖表示位能變化，中間的圖表示二聚體的分解。右側的圖表示隨着磁場使電子的自旋方向一致，形成二聚體的分子軌域塌陷。促進分子軌域鍵的電子可以自由行程，由此發生金屬化。這種現象可以理解爲隨着二聚體分解而發生的一級相變。另外，在中子星等太空中預測會發生磁場引起的分子軌域塌陷現象，有時被稱爲化學災難。
論文資訊
題目：Magnetic-field-induced insulator–metal transition in W-doped VO2 at 500 T
期刊：Nature Communications（線上版：7月17日）
DOI：10.1038/s41467-020-17416-w
文：JST客觀日本編輯部
