Ядерный магнитный резонанс выявил явление тепловой самоорганизации при переключении сопротивления в органическом проводнике японской группы

Объединённая исследовательская группа Токийского университета науки, Национального института материаловедения и Института физико-химических исследований (RIKEN) недавно с помощью объёмно-чувствительных измерений ядерного магнитного резонанса ¹H-NMR выявила внутреннее электронное состояние органического проводника (d7-DMe-DCNQI)2Cu в состоянии переключения сопротивления. Исследование показало, что в этом состоянии материал не образует однородную новую электронную фазу, а характеризуется сосуществованием металлической и изоляторной фаз внутри материала.

Схема объёмных измерений ¹H-NMR на монокристалле

Переключение сопротивления — это явление значительного изменения сопротивления материала под действием приложенного тока или напряжения, которое привлекает внимание в исследованиях коррелированных электронных систем, запоминающих устройств и нейроморфных устройств. Ранее исследования в основном были сосредоточены на неорганических тонкоплёночных материалах, однако такие факторы, как рассеяние тепла подложкой и широкая температурная область фазового перехода, затрудняли чёткое разграничение связи между джоулевым нагревом и фазовым переходом. В данном исследовании в качестве объекта был выбран объёмный органический проводник, кристалл которого обладает очень резким переходом металл—изолятор при температуре около 79 К и слабой тепловой связью с окружающей средой, что позволяет легко наблюдать связь между токовым нагревом и фазовым переходом.

Сочетая измерения электрического транспорта и ¹H-NMR, исследовательская группа обнаружила, что при низких токах образец демонстрирует резкий переход сопротивления от металлической фазы к изоляторной вблизи 79 К; при приложении большего тока и охлаждении образца материал переходит в состояние переключения сопротивления с промежуточным значением сопротивления. Это состояние сохраняется даже при дальнейшем понижении температуры окружающей среды, что указывает на достижение образцом неравновесного стационарного состояния, в котором джоулев нагрев уравновешивается рассеянием тепла наружу.

Результаты ядерной магнитной релаксации ¹H-NMR показали, что кривые релаксации нормальной металлической и изоляторной фаз описываются одной экспоненциальной функцией, тогда как в состоянии переключения сопротивления наблюдаются две компоненты релаксации, соответствующие металлической и изоляторной фазам. Этот результат напрямую доказывает существование сосуществования фаз в состоянии переключения.

Исследование также подтвердило «эффект фиксации температуры»: даже когда температура окружающей среды ниже температуры перехода металл—изолятор, большая часть образца остаётся при температуре около 79 К. В то же время в определённом диапазоне токов материал демонстрирует приблизительно обратно пропорциональную зависимость напряжения от тока, то есть V∝1/I. Поскольку это противоположно обычному закону Ома, где напряжение пропорционально току, исследовательская группа назвала это явление «антизаконом Ома».

Исследователи полагают, что эти кажущиеся аномальными явления обусловлены «тепловой самоорганизацией»: соотношение металлической и изоляторной фаз самопроизвольно регулируется в зависимости от баланса между генерацией джоулева тепла и рассеянием тепла в окружающую среду, поддерживая тем самым стабильность внутренней температуры и проводящих каналов материала. Исследовательская группа отмечает, что этот результат указывает на то, что переключение сопротивления следует понимать не просто как отклик материала на равномерный нагрев, а как неравновесное стационарное состояние, формируемое взаимосвязанными фазовым переходом, тепловым потоком и электрической проводимостью.

Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «Physical Review Applied» 17 августа 2026 года в онлайн-формате и отмечены как рекомендованная редакцией статья.