在VO2由绝缘态到金属态相变期间，发生的晶体结构和电子性能的变化（V蓝色；O红色）。温度高于67℃ 时（右图），大振幅、非线性的晶格震动（声子）导致出现具有自由电子的四方相（黄色），表明材料变为金属态。在较低温度下（左图），电子束缚在扭曲单斜晶体结构的原子键合内，表明材料为绝缘态。来源：橡树岭国家实验室

当二氧化钒（VO2）加热到略高于室温后，其导电率会突然提高10000。实验结合高性能计算揭示了反常的剧烈晶格震动下如何使具有高导电性金属相保持稳定。晶格震动就是各个原子在其平衡位置来回震荡。

实现对金属氧化物功能特性和相组成的定量描述对预测设计具有独特性能的材料具有重要作用。

VO2是一种“功能”材料，可以应用于智能窗户、超快场效应晶体管等领域，当加热到略高于室温时，可以实现绝缘体到导体的转变。在相变温度点，它的电导率提高10000，晶体结构由单斜相变为了四方相（如上图）。关于VO2在相变期间的物理和电子性质的基本描述在过去50年里一直饱受争议。

来自橡树岭国家实验室的研究人员利用先进中子和X射线衍射实验，结合超级计算机进行大规模第一性原理计算，探明了相变的具体机理。他们的研究成果已发表于期刊《自然》上，研究成果表明是主要是晶格震动（声子）而非电子作为热力学动力驱使了由绝缘性向金属性的转变。此外，也实现了对声子分散和原子轨道占有率如何影响相变过程的直接定量分析。

那些低能量声子被发现改变了原子间的键合（如电子轨道），这允许在较高温度下晶体达到金属态时，一些电子可以自由运动。研究表明晶格无序震动在控制金属氧化物相变时具有重要作用。研究得到了完整的物理模型对预测设计具有独特性能的材料具有关键作用。

新材料在线编译整理——翻译：赵欢    校对：摩天轮