Обычно металлы и изоляторы находятся на противоположных концах спектра проводимости, но исследователи обнаружили материал, который может свободно переключаться между этими состояниями даже при комнатной температуре. Материал, соединение марганца и серы, сульфид марганца (MnS2), изначально является изолятором, но становится проводящим под давлением. От изолятора к металлу и обратно - новое явление перехода, о котором сообщили исследователи, «найдет место в учебниках физики».
Электропроводность материала - это результат того, насколько легко электроны могут проходить через него. Проводники, полупроводники и изоляторы различаются по ширине запрещенной зоны, которая по существу измеряет, сколько энергии электронам необходимо для свободного перемещения через материал. Таким образом, в проводнике эта запрещенная зона очень мала, в изоляторах она недопустимо велика, а полупроводники находятся между ними.
Для нового исследования исследователи из Университета Рочестера и Университета Невады в Лас-Вегасе исследовали соединения, которые действуют странно. В частности, кажется, что сульфиды металлов вызывают странное поведение под высоким давлением.
MnS2 обычно является слабым изолятором, но когда команда сжала его крошечные количества в алмазной наковальне, он перешел в металлическое проводящее состояние. Это достаточно странно, но по мере дальнейшего увеличения давления в какой-то момент он снова переключается на изолятор.
«Металлы обычно остаются металлами; очень маловероятно, что их можно будет превратить обратно на изолятор», - говорит Ранга Диас, автор исследования. «Тот факт, что этот материал превращается из изолятора в металл и обратно в изолятор, очень редок».
При ближайшем рассмотрении команда обнаружила, что происходит внутри материала во время этого процесса. В своем обычном изоляторном состоянии электроны в MnS2 скачут всюду несколько случайным образом, оставляя очень мало места для других электронов, чтобы им пройти через материал и произвести электрический ток.
Но по мере приложения давления и физического сжатия материала электроны прижимаются ближе друг к другу, так что они начинают соединяться попарно. Это означает, что отдельные электроны теперь могут более свободно перемещаться через материал - фактически, сопротивление падает на восемь порядков, говорят ученые.
Наконец, материал снова становится изолятором при еще более высоком давлении, потому что электроны остаются в низкоспиновом состоянии.
Возможно, самое главное, условия, необходимые для переходов, относительно просты, а это означает, что использование материала должно быть более практичным. Это можно сделать при комнатной температуре 27°C и давлении от 3 до 10 гигапаскалей (ГПа). Обычно для подобного управления проводимостью требуются ультрахолодные температуры и высокое давление, превышающее 180 ГПа, - условия, которые плохо переносятся за пределы лаборатории. Тем не менее, команда недавно добилась успеха в создании сверхпроводящих материалов при комнатной температуре.
Что касается применения этого материала, у команды есть несколько идей.
«Вы можете представить себе логический переключатель или записываемый жесткий диск, где очень, очень небольшая перемена механического напряжения или электрического напряжения может заставить что-то перейти из одного электронного состояния в другое», - говорит Ашкан Саламат, автор исследования. «Новые версии флеш-памяти или твердотельной памяти могут меняться и принять новый подход, используя эти типы материалов».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
На главном фото: Иллюстрация, показывающая, как работает новый материал - обычно атомарные ионы марганца (фиолетовые кружки) и молекулярные ионы ди-серы (восьмерки) разделены (слева от кадра). Но под давлением они сближаются (справа от кадра), изменяя проводимость материала.
Источник: New Atlas / University of Rochester
