上海大学理学院尹鑫茂教授团队在《Applied Physics Reviews》上发表量子光谱新成果

近日，理学院物理系上海市高温超导重点实验室尹鑫茂教授等合作者在美国物理联合会（American Institute of Physics）旗下的物理学顶级期刊《Applied Physics Reviews》发表题为 “Small polarons mediated near-room-temperature metal-insulator transition in vanadium dioxide and their hopping dynamic” 的研究性论文。理学院博士生刘熊芳为论文第一作者。新加坡同步辐射光源实验室陈智新研究员、香港理工大学杨明教授为论文共同通讯作者。上海大学物理系上海市高温超导重点实验室是论文的第一完成单位和通讯单位。

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量子材料中各式各样的相变及其机制问题一直是凝聚态物理学中的核心议题。特别是在强关联体系中，由量子多体效应而导致的金属-绝缘相变现象吸引了物理学者们的广泛关注。二氧化钒(VO2)作为一种典型的莫特绝缘体，其在接近室温时经历急剧的金属-绝缘相变，电阻变化高达四个数量级，使其在智能窗口、热切换器件以及神经形态计算等领域展现出重要应用潜力。但VO2材料的相变机制是一个长期未解的难题，其重要性不仅关系到基础科学的深入理解，还直接制约了相变工程在前沿技术中的实际应用。近年来，有理论研究表明，一种重要的准粒子——极化子（由电子与晶格耦合形成）可能在其金属-绝缘相变中扮演重要角色，但一直缺乏直接的实验观测证据。因此，如何在实验上验证小极化子的存在及其动力学行为，成为破解其相变机制的关键科学问题。

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尹鑫茂教授团队通过新搭建的宽波段光谱技术及理论分析，首次在VO2绝缘态中观测到由电子-声子近程耦合引起的小极化子，并详细阐明其在金属-绝缘相变过程中的作用。研究进一步揭示小极化子的形成伴随着局部晶格畸变，促进了Peierls结构相变，同时通过电子局域化加强了电子关联效应，为莫特电子相变创造了有利条件。这种“混合”相变机制首次系统地揭示了小极化子在VO2的金属-绝缘相变中的双重作用。该研究不仅对VO2材料本身的科学理解具有突破性意义，也为其他强关联过渡金属氧化物的研究提供了理论指导。通过调控小极化子的生成与动力学行为，有望进一步优化金属-绝缘相变特性，为开发新型高效低功耗光电器件提供重要支持。此外，该研究还在VO₂的金属态和绝缘态中观测到传统等离激元与关联等离激元，为该材料的电子结构变化提供了深入解析。这些准粒子的发现为VO₂在光电器件和能量转换领域的应用开发奠定了重要基础。

本工作得到国家自然科学基金 (52172271, 12374378, 52307026)，国家重点研发计划 (2022YFE03150200)，上海市科技创新计划 (22511100200, 23511101600)等的支持。近年来，上海市高温超导重点实验室在高温超导关键成材技术、超导量子磁通涡旋、超导量子约瑟夫森结型器件、非常规高温超导、强关联氧化物电子自旋和超导强电应用等方向上形成了很好的国际化研究氛围，实验室青年人才在量子功能材料与高温超导领域具有很好的国际影响力，近年来主办国内外学术会议或在重要学术会议上作大会报告30余次，主持或参与国家重点研发计划、中国科学院战略先导专项或上海市重大重点项目、国家标准等十多项。