本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。二硫化钽是一种神秘的材料。根据教科书理论，它应该是一种导电金属，但在现实世界中，它的作用就像一种绝缘体。来自日本理化学研究所新兴物质科学中心的研究人员利用扫描隧道显微镜，对这种材料的结构进行了高分辨率的观察，揭示了它为什么会表现出这种现象。长期以来，人们都知道，当晶体材料的结构中每个重复单元中的电子数为奇数时，晶体材料应该是良好的导体，但当电子数为偶数时，晶体材料可能是差的导体。然而，有时这个公式并不奏效，有一种情况是Mottness，这是一种基于NevillMott的工作特性。根据该理论，当结构中的电子之间存在强烈的排斥性时，会导致电子变得局部化，换句话说，就是瘫痪，无法自由移动以产生电流。使情况更加复杂的是，在三维结构的不同层中的电子也有可能发生相互作用，配对形成双层结构的电子数量相等的情况。此前有人认为，这种电子的配对将恢复教科书上对绝缘体的理解，使得没有必要再援引Mottness作为解释。对于目前发表在《NatureCommunications》上的研究，研究小组决定研究二硫化钽，这是一种在每个重复结构中都有13个电子的材料，因此它应该是一种导体。然而，事实并非如此，关于这种特性是由其Mottness造成的还是由配对结构造成的，一直存在争议。为了进行这项研究，研究人员制造了二硫化钽的晶体，然后在真空中裂解晶体，露出超洁净的表面，然后用一种称为扫描隧道显微镜的方法在接近绝对零度的温度下对其进行检查，这种方法涉及到一个微小而又极其敏感的金属尖端，可以通过量子隧道效应感知电子在材料中的位置及其导电程度。他们的研究结果表明，确实存在着层层堆叠，有效地将它们排列成对。有时，晶体在成对的层之间裂开，有时穿过一对层，将其击碎。他们对成对和未成对的层进行了光谱分析，发现即使是未成对的层也是绝缘的，Mottness是唯一的解释。据该研究的第一作者ChristopherButler说：二硫化钽中绝缘状态和相变的性质一直是个长期以来的谜，除了层间配对之外，发现Mottness是一个关键的角色，这让人非常兴奋。这是因为理论家们怀疑，Mottness可能为一个被称为量子自旋液的物质相奠定了基础。领导研究团队的TetsuoHanaguri说：是什么让这种材料在绝缘相到导电相之间转变的问题长期以来一直是物理学家们的困惑，我们非常高兴能够在这个谜题中加入了一块新的棋子。未来的工作可能会帮助我们发现Mottness中出现的新的有趣而有用的现象，比如高温超导等。论文标题为《Mottnessversusunit-celldoublingasthedriveroftheinsulatingstatein1T-TaS2》。

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