南科大揭示Mott相变临界现象的产生由粘弹性复杂

近日，南方科技大学物理系和前沿与交叉科学研究院助理教授王善民课题组在高压莫特（Mott）相变的研究中取得重要突破，首次将复杂力学引入前沿凝聚态物理的核心问题中。论文以“Giant viscoelasticity near Mott criticality in PbCrO3 with large lattice anomalies”为题，发表在学术期刊《物理评论快报》上。

早在1949年，Nevill F. Mott从理论上预测了一类发生在关联电子体系里的特殊相变 —— 莫特相变，它是由压力驱动的绝缘-金属相变，其主要特点为：1、等结构相变，即晶体的对称性不变，伴随体积的坍塌和电输运的突变；2、随着温度的升高，该相变由一级相变转变二级相变，体积的坍塌和电输运突变消失，取而代之的是连续变化，同时产生临界现象（Mott criticality）（如图1），类似于水的气-液相图。莫特体系在相变前后通常会产生一系列有趣的反铁磁性、超导等物理现象，因此，莫特相变被认为与诸多凝聚态前沿问题相关，成为关联电子体系研究的核心问题之一。尽管人们围绕相关问题探讨了半个多世纪，但莫特相变机理仍在争论之中，可能的原因之一是这类相变的载体稀少，目前已发现且被广泛认可的是Cr-doped V2O3和有机物k-Cl。传统观点认为，莫特相变由纯电子行为驱动，但最近的研究表明晶格也参与了相变过程，这一过程预示着可能存在一种全新的电子-晶格耦合机制，而它对理解莫特相变以及相关的凝聚态物理问题都极为关键（如高温超导机理等），甚至可能发展出新的理论、开创出新的研究领域。因此，寻找合适的莫特材料体系和发展新的实验测量技术是研究电子行为和电子-晶格耦合机制的基础，也将为揭示莫特相变机制提供坚实的实验证据。

图1. Mott相变的经典P-T相图 (以k-Cl为例)

正确理解莫特相变需要重新认识电子的特性。众所周知，在导体中，以金属为例，存在大量的巡游电子，为金属导电提供了载体，而晶格原子在空间上呈周期性排列形成导电的通道。在传统的认知中，电子-晶格的相互作用主要体现在晶格对电子的散射，电阻随之产生。在此种情况下，电子-电子之间的碰撞通常被忽略，因此，一般导体中的电子可被简单地理解成无相互作用的“电子气”。然而，根据朗道理论，在适当的低温下，晶格的散射作用将被抑制，电子-电子之间频繁地碰撞将占主导；此时，电子的行为应该类似于非理想流体，呈现出一定的粘性，特殊情况下甚至可能远大于蜂蜜的粘性。近几年来，基于新的电输运测量技术，科学家们在石墨烯等关联体系中发现了电子粘性的间接证据。但是目前能够证明电子具有流体特性的有效实验测量手段非常有限，阻碍了对电子特性的理解，也局限了对电子晶格作用的正确认识。而莫特相变临界点附近的力学与电输运异常行为无法从传统经典的晶格与电荷自由度的角度来解释，这预示着它可能存在一种特殊的、新的自由度 —— 粘弹性，即由晶格弹性与电子粘性共同耦合而成（见图2） 。

图2. 导体中晶格弹性与电子粘性在适当的条件下耦合产生粘弹性

从力学上看，相对于电子的粘性流动，晶格具有良好的弹性，它在受力作用下发生弹性形变，储存弹性势能; 在外力撤去后，晶格恢复到初始状态。不难想象，当导体中的电子产生粘性后，电子的粘性与晶格弹性这两种不同机理的形变结合在一起，二者共同作用使材料产生具有粘弹性的复杂力学行为，类似于浸没在蜂蜜中的弹簧振子，产生显著的“阻尼作用”。而物质具有粘弹性后将展现出一系列反常的力学行为，包括应力-应变的非线性响应、具有时间依赖性的应变速率、应力-应变滞后现象（即二者不同步，产生相位差）、加载-卸载过程中能量的耗散、动态的弹性模量（甚至负的刚度或模量）、晶格常数或体积的异常变化等。目前，关于粘弹性复杂力学的研究主要集中在高分子材料、生物体材料（如脚跟腱）等的变形过程，相关的基本规律也可用于理解固体材料中电子粘性与电子晶格粘弹性。另外，通过改变外界条件，如压力、温度和磁场等，可调节材料中电子的粘性，改变材料中粘性和弹性的权重，进而调节材料的粘弹性，为量化研究材料的物理性质提供了调控参数。因此，测量莫特相变体系中的粘弹性力学行为将为探究电子的粘性及其与晶格之间的耦合作用提供一个全新的视角。

文章来源：《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0309/1068.html