В ходе исследований ученые выявили материал, который может функционировать как изолятор или проводник, меняя свое состояние под воздействием давления.
Проводимость материала зависит от подвижности свободных электронов, что объясняет, почему металлы являются хорошими проводниками. В изоляторах электроны удерживаются гораздо прочнее, и для их перемещения требуется энергия, превышающая величину обычно прикладываемого напряжения. Тем не менее, ученые из Рочестерского университета и Университета Невады обнаружили соединение, демонстрирующее необычные свойства. Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ашкан Саламат и его соавторы исследовали электропроводность металлических сульфидов, сосредоточившись на дисульфид марганца. При стандартных условиях он представляет собой умеренный изолятор. Однако, при помещении на алмазную «наковальню» и создав большое давление, ученые заметили, что вещество перешло в металлическое состояние и резко потеряло прежде высокое электрическое сопротивление. При увеличении давления вплоть до 12 гигапаскалей (около 12 тысяч атмосфер) сопротивление падало в сотни миллионов раз.
Дальнейшее повышение давления до 36 гигапаскалей приводило к обратному переходу, и MnS 2 снова становился изолятором. «Обычно металлы остаются металлами; крайне маловероятно, чтобы их можно было превратить в изоляторы, — говорит По словам Ранджи Диаса, одного из авторов исследования, способность материала изменять свое состояние от изолятора к металлу и обратно к изолятору является крайне необычным явлением».
Исследователи продемонстрировали, что высокое давление приводит к изменению состояния дисульфида марганца, делая его проводящим. Под воздействием такого давления отдельные атомы сдвигаются ближе, что позволяет их валентным электронам взаимодействовать и образовывать пары. Это приводит к формированию зон в кристаллической структуре, обеспечивающих возможность перемещения электрических зарядов. Однако при дальнейшем увеличении давления структура становится излишне плотной».
Авторы акцентируют внимание на том, что фазовые переходы дисульфида марганца происходят при комнатной температуре и при умеренном давлении. Обычно для этого необходимо использовать криогенные условия и значительно повышать давление. Напомним, что создание давления около 500 гигапаскалей, можно получить даже металлический водород — форму, в которой он существует в недрах гигантских планет.