Американские и японские физики разработали и создали материал с волнообразной структурой, обладающий уникальными сверхпроводящими и металлическими характеристиками. Ранее этот материал был спроектирован на теоретическом уровне, и после его создания он продемонстрировал все ожидаемые свойства.
Физиков привлекают двумерные материалы, образованные небольшим количеством слоев атомов, благодаря широкому спектру возможностей для их модификации. Создание уникальных узоров, таких как муаровая сверхрешетка, достигается путем поворота и скручивания слоев под небольшим углом, что приводит к проявлению сверхпроводимости и неклассического магнетизма в материале.
Создание и изучение таких конфигураций материалов затруднено из-за их атомарной толщины. Авторы исследования применили другой подход. Они создали материал с помощью «рационального проектирования» — моделирования материалов с желаемыми свойствами. Работа опубликована в журнале Nature.
Исследователи смешали порошки сульфида стронция ( SrS), тантала (Ta) и серы (S) в присутствии хлорида стронция (SrCl2), нагрели их до сотен градусов Цельсия и положились на химические реакции, которые естественным образом привели к формированию макроскопических кристаллов с заданными свойствами. Взаимодействия на атомарном уровне определяют характеристики материала. Исследователи считают простоту формирования материала значительным достижением. Полученный материал состоит из слоев H-TaS2 и SrTa2S5.
Материал имеет нетипичную структуру, состоящую из волнообразных слоев, толщина которых измеряется миллиардными долями метра. Такое количество слоев позволяет создать крупный образец, подходящий для проведения точных исследований. Большие размеры упрощают изучение взаимодействий на атомном уровне, формирующих свойства вещества.
Несмотря на наличие других материалов с подобной атомной структурой, ученые утверждают, что их образец является наиболее удачным. Наноразмерные слои волн распределены равномерно по всему кристаллу и насчитывают тысячи.
Материал имеет слоистую структуру, подобную пирогу. Он состоит из атомно тонкого слоя тантала и серы, расположенного на промежуточном слое, включающем стронций, тантал и серу. Данная структура повторяется тысячи раз, формируя макроскопический кристалл.
Несоответствие размеров и структуры кристаллической решетки в соседних слоях материала приводит к возникновению волн в кристалле. Слой, лишенный стронция, деформируется, чтобы прилегать к другому слою, формируя волны. Это можно представить, как укладывание листа бумаги А3 на лист А4 меньшего размера: чтобы поместиться, лист А3 должен изогнуться. В полученной структуре листы фиксируются в определенных точках, что приводит к образованию волн.
Необычные свойства материала обусловлены наноразмерными волнами. При температуре приблизительно три градуса Кельвина он становится сверхпроводником, а сверхпроводимость повторяет волнообразность. В некоторых местах она сильнее, в других слабее.
Материал также демонстрирует нетипичные металлические характеристики. Это связано с тем, что электронам проще перемещаться по продольным частям волны, чем преодолевать поперечные участки.
При разработке нового материала химики и материаловеды руководствовались желаемыми характеристиками. Полученный в результате эксперимента образец демонстрирует заданные свойства. Это открывает возможность для создания более широкого спектра материалов с заранее определенными свойствами, в отличие от исследования случайных образцов.