核磁共振揭示日本团队有机导体电阻开关中的热自组织现象

日本东京理科大学、国立材料科学研究所和理化学研究所联合研究团队近日利用体敏感的¹H-NMR核磁共振测量，揭示了有机导体(d7-DMe-DCNQI)2Cu在电阻开关状态下的内部电子状态。研究发现，该材料在开关状态中并非形成均匀的新电子相，而是金属相与绝缘相在材料内部共存。

块状晶体 ¹H-NMR 测量的示意图

电阻开关是指材料电阻在外加电流或电压作用下显著变化的现象，在关联电子体系、存储器件和神经形态器件研究中受到关注。以往研究多集中于无机薄膜材料，但衬底散热、相变温区较宽等因素，使焦耳热与相变之间的关系难以清晰分辨。此次研究选择块状有机导体作为对象，该晶体在约79 K处具有十分陡峭的金属—绝缘体转变，且与周围环境的热耦合较弱，便于观察电流加热与相变之间的联系。

研究团队结合电输运测量和¹H-NMR测量发现，在低电流条件下，样品会在约79 K附近出现从金属相到绝缘相的急剧电阻转变;而当施加较大电流并冷却样品时，材料会进入一种具有中间电阻值的电阻开关状态。即使环境温度继续降低，这一状态仍可维持，表明样品进入了焦耳热产生与向外散热相平衡的非平衡稳态。

¹H-NMR核磁弛豫结果显示，正常金属相和绝缘相的弛豫曲线均可用单一指数函数描述，而在电阻开关状态下出现了两个弛豫分量，分别对应金属相和绝缘相。这一结果直接证明，开关状态中存在相共存现象。

研究还确认了“温度固定效应”：即使环境温度低于金属—绝缘体转变温度，样品大部分区域仍保持在约79 K附近。与此同时，在一定电流范围内，材料表现出电压与电流近似成反比的关系，即V∝1/I。由于这与通常欧姆定律中电压与电流成正比的关系相反，研究团队将其称为“反欧姆定律”。

研究认为，这些看似反常的现象源于“热自组织”：金属相与绝缘相的比例会随焦耳热产生和环境散热的平衡而自主调节，从而维持材料内部温度和导电通道的稳定。研究团队表示，这一结果提示，电阻开关不应仅被理解为材料均匀升温后的响应，而应被视为相变、热流和电传导相互耦合形成的非平衡稳态。

相关成果已于2026年8月17日在线发表于《物理评论应用》，并被列为编辑推荐论文。