近日，国际知名学术刊物《PNAS》（美国国家科学院院报）在线刊登了我院量子材料研究团队的研究论文——“Spectroscopic evidence of spin-state excitation in d-electron correlated semiconductor FeSb2”。在该文中，物理学院的苗霖教授实验团队和董帅教授理论团队以及上海交通大学物理学院钱冬教授团队合作，揭示了其金属绝缘相变起源于受温度调控的自旋态转变的物理机制。
金属—绝缘相变问题是物理学研究的一个古老课题。在一些量子材料中，其电子的物相可以由温度，电场/磁场、压力等调控而实现金属性和绝缘性的相互转变。而金属—绝缘相变问题的机制可能涉及了多种尺度和自由度之间的转变和多体相互作用，不同量子材料中的金属—绝缘相变也可能起源于完全不同的物理机制。而探讨这些机制对于利用这些相变实现量子技术和量子器件则至关重要。
FeSb2作为一种半导体材料，表现出受温度调控的金属—绝缘相变现象，其物相在低温下表现出无磁的绝缘体态，而室温下则是顺磁性金属。物理学家为FeSb2的相变问题提出了众多的理论解释，包括近藤关联、莫特关联、自旋态激发等完全不同的机制。针对该问题，苗霖教授团队利用X射线谱学技术，结合第一性原理计算以及相关输运结果，首次展示出FeSb2相变过程中其自旋态受温度调控的直接实验证据。该研究表明FeSb2中的Fe-3d6的电子壳层的低自旋态和高自旋态在能量上处于近简并状态，而温度带来的热激发能量可以调控高/低自旋态的占据比例，实现金属（高自旋态）和绝缘（低自旋态）的相互转变。该研究为理解量子材料的金属绝缘相变，进一步利用开发相关的量子技术奠定了科学基础。
图. A. FeSb2晶体结构。B. FeSb2L边X射线吸收谱实验及模拟结果。C. FeSb2中不同自旋态下轨道占据示意图。D.实验及模拟结果中发现的低自旋态向高自旋态转移的直接证据。
该论文以东南大学为第一单位，三位共同第一作者为物理学院博士生李华耀、上海交大王国华博士以及物理学院丁宁博士。苗霖教授、钱冬教授与董帅教授为该文的共同通讯作者。研究的开展得到了合肥国家同步辐射中心、上海光源、美国先进光源等大科学装置的实验条件支持。该研究也受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及江苏特聘教授等项目的资助。
论文网址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321193121