Ученые открыли материал со свойствами и проводника, и изолятора одновременно

Под давлением взаимодействие между ионами марганца (фиолетовые кружки) и ионами серы (голубые гантели в красной оболочке) увеличивается слева направо до металлического состояния.

Под давлением взаимодействие между ионами марганца (фиолетовые кружки) и ионами серы (голубые гантели в красной оболочке) увеличивается слева направо до металлического состояния.
Иллюстрация Dean Smith/Argonne National Lab.

Американские исследователи обнаружили материал, который может переключаться между состояниями проводника и изолятора электрического тока даже при комнатной температуре.

Материал представляет собой соединение марганца и серы (MnS2) и изначально является диэлектриком, но под давлением приобретает электропроводящие свойства. Этот факт обнаружили ученые из Университета Рочестера и Университета Невады в Лас-Вегасе и опубликовали статью о нем в журнале Physical Review Letters.

Проводимость материала зависит от того, насколько легко свободные электроны могут проходить сквозь его кристаллическую решетку.

Сульфид марганца MnS2 имеет вид красно-черных кристаллов, нерастворимых в воде. В обычных условиях это вещество – мягкий диэлектрик. Однако, когда исследователи сжали его крошечное количество, сравнимое с каплей чернил, в алмазной наковальне, сульфид марганца перешел в металлическое состояние и стал проводником. Давление на материал увеличили еще больше, и тогда материал снова перешел в состояние изолятора.

И все это при комнатной температуре – около 27 °С. Вот такие чудеса – проводник и изолятор в одном флаконе.

"Металлы обычно остаются металлами. Очень маловероятно, что их можно было бы превратить в изолятор, – говорит Ранга Диас (Ranga Dias) из Университета Рочестера, автор исследования. – Тот факт, что этот материал превращается из изолятора в металл и обратно в изолятор, очень редок".

Разбираясь в причинах странного и редкого явления, ученые выяснили, что всему виной спин электронов кристаллической решетки сульфида марганца, то есть вращение электронов вокруг собственной оси подобно детскому волчку. В обычном состоянии сульфида марганца спин электронов "высокий", они вращаются очень быстро и не подпускают к себе другие электроны, не дают им свободно пройти мимо. Поэтому материал проявляет свойства изолятора.

Когда материал сжимают под сильным давлением, электроны кристаллической решетки сближаются, снижают свой спин до "низкого" состояния и образуют электронные пары, освобождая место для прохода мимо них свободных электронов. Поэтому материал становится проводником. При дальнейшем увеличении давления спин электронов остается "низким", хотя материал снова возвращается в состояние изолятора.

Интересно, что сопротивление электрическому току в сульфиде марганца при комнатной температуре резко падает на восемь порядков (в 100 миллионов раз), когда давление на материал увеличивается с трех до десяти гигапаскалей.

"Учитывая небольшой диапазон давления, такое падение сопротивления действительно огромно", – констатирует Диас.

Оно и правда: для достижения высокотемпературной сверхпроводимости, к примеру, гидрид лантана нужно охладить до – 23°С под давлением 188 гигапаскалей.

Авторы открытия уверены, что обнаруженные ими новые явления столь фундаментальны, что найдут место в учебниках физики.

"Есть что-то очень интригующее в том, как сера ведет себя, когда присоединяется к другим элементам. Это привело к некоторым замечательным открытиям", – отмечает Ашкан Саламат (Ashkan Salamat), соавтор исследования из Университета Невады в Лас-Вегасе.

Что касается применения чудесных свойств сульфида марганца, то у команды ученых есть несколько идей.

"Можно представить себе логический переключатель или записывающий жесткий диск, который при незначительной деформации или изменении давления может перейти из одного электронного состояния в другое", – предлагает Саламат.

Иначе говоря, меняющий под давлением свои электрические свойства материал может использоваться в новых версиях флэшек и жестких дисков памяти.

Ранее мы писали о том, что в Сколкове создали необычный высокотемпературный сверхпроводник, и что сверхпроводимость впервые была получена при комнатной температуре. Еще мы рассказывали, что российские исследователи соединили в одном материале несовместимые свойства.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".