今日Nature: 如鲨鱼般灵敏感知的钙钛矿材料——强关联量子材料跨界海洋探测

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左图：位于鲨鱼嘴部附近的弱电感知器官---洛伦兹壶腹的探测和神经传导原理。

右图：钙钛矿型稀土金属镍酸盐（SNO）作为电场感应材料的工作原理。在海水中电场作用下，氢离子嵌插扩散进入镍酸盐的晶格之中并伴随着电荷转移。本征态和氢化镍酸盐中镍离子的3d电子结构完全不同。由于eg轨道双电子占据而诱发的强库伦排斥作用，氢化镍酸盐（HSNO）的电子传输完全局域化。

钙钛矿型稀土金属镍酸盐材料由于其特殊的电子强关联性和量子状态，近年来已被广泛应用于能源转化（Nature, 2016, 534, 231），神经形态模拟 （Nature Communication,2017, 8, 240）等前沿物质科学领域。最近，由普渡大学（Purdue University）Shriram Ramanathan 教授课题组联合阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory)、罗格斯大学（Rutgers University）等研究团队首次发现，钙钛矿型稀土金属镍酸盐材料在模拟海水的环境中具有独特的与鲨鱼相似的灵敏弱电感知能力，该研究成果于12月18日线上发表于自然（Nature）杂志：Nature，10.1038/nature25008。文章第一作者为Ramanathan教授课题组博士后： 张祯博士（Dr. Zhen Zhang）及博士生 Derek Schwanz。

该研究首次发现，具有强关联性质的稀土金属镍酸盐与鲨鱼的电感知器官具有相似的感知弱电场能力。在模拟海洋的水溶液环境中，当有电场信号出现，稀土金属镍酸盐的电导及光学性质会同时发生巨大的响应。这印证了其具有电感应能力！进一步的机理研究发现，该材料的电感知机制与鲨鱼的洛伦兹壶腹非常相似：在电场下，水中的质子能在电场诱导下，注入材料晶格，并引发电子掺杂。镍酸盐随之产生电子强关联效应，并引发莫特转变（Mott transition）,导致相应的光学及电学性质共同巨变，也为多信道弱电探测提供了可能。同时在反向电场的作用下，整个物理化学过程都是可逆回复的。在不同电场及水溶液条件下连续测试表明，该电感应现象在极小的电场区间内（5 mV）仍能实现可逆。这就使得SNO材料电感应可以跨越整个海洋电场工作区间（从海洋鱼类产生的毫伏级生物弱电到船舶和无人潜水器产生的伏特级流电电势）。对应用来说更为重要的是， SNO和HSNO材料体系在水溶液环境中（模拟海水环境，包括弱酸或弱碱的条件）表现的长时间很稳定，不腐坏。这也让系统性地原位研究该材料的电场响应机制变的很便利。

SNO材料在海水电场中的电阻与光学物性的同时巨变，以及反向电场下的可回复性

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