Физики выяснили, как "изоляторо-проводник" перестает проводить ток

18.05.2020 21:20:40

Источник: ТАСС

Ученые предполагают, что внутри этого вещества может существовать экзотическая форма материи – квантовая спиновая жидкость.

Японские физики-экспериментаторы выяснили, как устроен дисульфид тантала – вещество, которое может одновременно быть и проводником, и изолятором. Кроме того, они выяснили, что внутри него может существовать экзотическая форма материи. Описание их работы опубликовал научный журнал Nature Communications.

"Природа изолирующего состояния дисульфида тантала была загадкой на протяжении многих лет. Нам было очень интересно открыть, что этот феномен связан с так называемым эффектом Мотта, а не только с чередованием слоев атомов. Этот интерес обусловлен тем, что подобные состояния можно использовать для того, чтобы создать экзотическую форму материи – квантовую спиновую жидкость", – рассказал один из авторов исследования, физик из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) Кристофер Батлер.

Как правило, металлы и похожие на них соединения и материалы хорошо проводят ток. Это связано с тем, что внутри них есть множество свободных электронов. Эти частицы могут "путешествовать" по толще металла, сталкиваться друг с другом и обмениваться энергией.

В 1937 году ученые обнаружили, что это не всегда бывает так. Они выяснили, что предположительно металлический материал, оксид никеля, проявляет сильные изолирующие свойства. Теоретическое объяснение этому феномену предложил британский физик Нэвилл Мотт: он связал это явление с тем, как протекают взаимодействия электронов друг с другом и с соседними атомами.

Если речь идет об обычных металлах, то эти взаимодействия обычно бывают относительно слабыми, что позволяет носителям отрицательного заряда участвовать в движении электрического тока. В оксиде никеля и других "неправильных" металлических материалах, которые ученые сейчас называют изоляторами Мотта, эти частицы ведут себя иначе.

Особая структура этих материалов заставляет электроны объединяться в обособленные группы, которые отталкивают другие носители заряда и мешают им двигаться. Многие подобные вещества можно превратить в проводник, нагрев их или обработав мощным магнитом, а также проделать обратную операцию.

Новое поле для создания сверхпроводников

Ученые, как отмечает Батлер, уже много лет спорят о том, относится ли дисульфид тантала, еще один "изоляторо-проводник", к числу изоляторов Мотта. Эти споры связаны с тем, что атомы внутри кристаллов этого вещества уложены таким образом, что изолирующий эффект должен возникать благодаря их слоям, без учета взаимодействий между электронами.

Батлер и его коллеги доказали, что это не так, а также нашли признаки того, что прошлые представления о поведении изоляторов Мотта и похожих на них веществ могут быть в корне неверными. К такому выводу ученых подтолкнуло изучение атомной структуры и распределения электронов внутри кристаллов дисульфида тантала.

Для этого ученые вырастили несколько фрагментов этого материала и исследовали их с помощью микроскопа, который может "видеть" скопления положительных и отрицательных зарядов в толще разных материалов, а также различать разные типы "упаковки" атомов внутри кристаллов.

С одной стороны, эти замеры подтвердили, что атомы серы и тантала действительно были объединены в слои, которые были расположены относительно друг друга так, как это предсказывают теоретики, сомневающиеся в том, внутри кристаллов дисульфида тантала может проявляться эффект Мотта.

С другой стороны, наблюдая за распределением электронов внутри них,ученые обнаружили, что отрицательно заряженные частицы были сосредоточены внутри слоев таким образом, что это нельзя было объяснить без сильных взаимодействий между электронами. Соответственно, все это говорит о том, что дисульфид тантала все же относится к числу Моттовских изоляторов, однако этот эффект в его кристаллах работает совсем не так, как это представляли себе теоретики.

В частности, ученые предполагают, что внутри этого материала может существовать экзотическая форма материи, так называемая квантовая спиновая жидкость. Ее изучение может проложить дорогу для создания сверхпроводников, которые сохраняют свои свойства при комнатных температурах и давлениях, заключают физики.

Подробнее: https://nauka.tass.ru/nauka/8500751