东京大学物性研究所的松田康弘副教授等人与冈山大学异领域基础科学研究所的村冈祐治副教授等人通过合作开展研究发现，微量添加钨（W）的二氧化钒（VO2：W6％）在全球最强的500特斯拉磁场下，能由绝缘体变为金属。VO2在约67℃的温度下会由低温时的绝缘体状态相变为金属，是有望应用于开关和传感器的功能性材料之一。不过，由于其强电子相关性，即使在已经被发现60多年的今天，依然没有充分查清由绝缘体变为金属的机制。
此次，研究团队发现了自旋在绝缘体与金属转变过程中发挥根本性作用的直接证据，确认相变机制的主要原因是钒原子间形成了分子轨道。这项成果将为开发在室温下工作的量子功能元器件做出巨大贡献，比如今后有望实现的自旋控制开关元件等。
在实验中，研究团队通过近红外激光的光透射强度检测出了磁场引起的电导率变化。在绝缘体状态下，光透射率比较高，但变为金属后，透射率急剧减少，因此可以发现电导率的变化。实验样本除VO2外，还准备了添加钨（W）的V1-xWxO2（x=0.036、0.06）。因为此前就发现，添加W可以降低转变温度，x较大的样本被认为更容易观测到磁场效应。另外，为避免施加磁场时的涡流引起发热，采用了冈山大学异领域基础科学研究所利用脉冲激光沉积法生长获得的薄膜晶体。
图1是V1-xWxO2（x=0.06）薄膜在1.977μm下的光透射强度磁场依赖性测量结果。在14开尔文的温度下观察到，透射强度从磁场超过100特斯拉时开始减小，到500特斯拉时变为金属状态。而在x=0.036晶体中，磁场达到200特斯拉以上时就观察到金属化迹象，VO2（x=0）则在540特斯拉以内始终保持绝缘性。
图1：V1-xWxO2（x=0.06）薄膜（膜厚15纳米，TiO2基板）在激光波长为1.977μm时的光透射强度磁场依赖性。观察发现，在14开尔文的温度下，施加约500特斯拉的磁场时，会由绝缘体变为金属。插图用磁场的函数表现了磁场引起的透射光强度变化。与温度基本没有关系，从100特斯拉左右开始向金属转变，由此可见，该相变存在阈值磁场。
图2用相对比例尺显示了光吸收系数的磁场依赖性。此次测量的薄膜晶体的金属-绝缘体转变温度TMI在x=0.06、0.036和0时分别约为100、200和300开尔文，研究发现，随着TMI升高，金属化所需的磁场也会升高。在0.036下，预计完全实现金属化需要约600特斯拉的磁场，在VO2（x=0）下可能需要1000特斯拉以上的磁场。
图2：V1-xWxO2（x=0,0.036,0.06）薄膜在吸收系数α为相对变化量时的磁场依赖性。αM和αI分别是零磁场时的高温金属状态和低温绝缘体状态的吸收系数。可以看出，x=0时，540特斯拉以下的磁场不会引起金属化。x=0.036时，因实验时磁场发生装置的放电开关同步性不良，最大磁场只有360特斯拉，但在200特斯拉左右观测到了金属化迹象。
本次研究发现的基于自旋控制的金属化强烈表明，VO2的电子局部化是钒原子之间形成分子轨道引起的。图3是关于磁场感应金属化机制的模式图。研究认为，通过平行控制自旋，分子轨道的成键轨道会变得不稳定，而且二聚化的钒原子会变为独立的状态。由此，促进分子轨道形成的电子失去局部性，可以促进金属传导。中子星等在理论上预测了磁场引起的分子轨道塌陷现象，但在利用人工磁场的地球环境下甚至都没想过这种现象，此次的发现具有划时代的意义。
图3：观测到的磁场引起的金属化的分子轨道塌陷模式图。左侧的图表示势能变化，中间的图表示二聚体的分解。右侧的图表示随着磁场使电子的自旋方向一致，形成二聚体的分子轨道塌陷。促进分子轨道键的电子可以自由移动，由此发生金属化。这种现象可以理解为随着二聚体分解而发生的一级相变。另外，在中子星等太空中预测会发生磁场引起的分子轨道塌陷现象，有时被称为化学灾难。
论文信息
题目：Magnetic-field-induced insulator–metal transition in W-doped VO2 at 500 T
期刊：Nature Communications（在线版：7月17日）
DOI：10.1038/s41467-020-17416-w
文：JST客观日本编辑部
