Физики из МФТИ раскрыли секреты работы "изоляторо-проводника"
Российские и зарубежные ученые впервые детально изучили то, как особые материалы, сочетающие в себе одновременно свойства и проводника, и изолятора, переходят из одного состояния в другое. Эти данные помогут ученым ускорить создание квантовых компьютеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
"Нам впервые удалось реализовать ситуацию, позволяющую исследовать этот феномен в чистом виде и сравнить его с теоретическими предсказаниями. Собранные нами данные будут полезны для изучения свойств высокотемпературных сверхпроводников и других электронно-коррелированных систем", - рассказывает Борис Горшунов из Московского физико-технического института в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Инженеры, ученые и обыватели давно привыкли, что все металлы и похожие на них соединения и материалы хорошо проводят ток. Это связано с тем, что внутри них присутствует большое число свободных электронов, способных "путешествовать" по толще металла, сталкиваться друг с другом и обмениваться энергией.
В 1937 году физики выяснили, что это не всегда так, обнаружив, что оксид никеля, предположительно металлический материал, не проводил ток и был одним из самых сильных изоляторов. Практически одновременно с открытием этого необычного свойства известный британский физик Нэвилл Мотт предложил объяснение этому феномену, связав его с тем, как взаимодействуют электроны с атомами и друг с другом.
В "нормальных" металлах сила этих взаимодействий очень низкая, благодаря чему электроны могут "сбегать" от положительно заряженных ядер и участвовать в движении электричества. В особых материалах, которые ученые сейчас называют "изоляторами Мотта", все обстоит иначе.
Благодаря их особой структуре, электроны в них распределены не равномерно и случайно, а в виде обособленных групп, отталкивающих других носителей заряда и мешающих их движению по толще материала. Многие изоляторы Мотта можно превратить в проводники, нагрев их или поместив в магнитное поле, что делает их интересными с практической точки зрения.
Как отмечают Горшунов и его коллеги, проблема заключается в том, что ученые до сих пор не полностью понимают, как именно работает этот эффект и что заставляет подобные "изоляторо-проводники" переходить из одного "лагеря" в другой. Открытие принципов их работы поможет ученым создать транзисторы с минимальными токами утечки и создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.
Российские физики и их коллеги из США, стран Европы и Японии приблизились к ответу на этот вопрос, наблюдая за тем, как происходит подобный переход в нескольких изоляторах Мотта, так называемых квантовых жидкостях, изготовленных из смеси органических спиртов, серосодержащих углеводородов, сурьмы, серебра, меди и цианида.
В отличие от других материалов подобного рода, магнитные свойства квантовых жидкостей не мешают наблюдениям за изменениями в их проводимости при сверхнизких температурах, что позволило команде Горшунова впервые очень точно и детально измерить то, что происходит при их превращении в проводник.
Нагревая и просвечивая их при помощи пучков терагерцового излучения, "раздевающих лучей", ученые следили за тем, как оно отражалось от квантовых жидкостей и взаимодействовало с ними. Это позволило российским физикам и их зарубежным коллегам "нащупать" ту точку, где при пересечении которого свойства материалов резко менялись, и изучить их состояние в этот момент времени.
Как оказалось, все три материала обладают достаточно разными свойствами, в том числе и тем, как они реагируют на охлаждение или нагрев и какие типы электрического тока они проводят при превращении в "металл". Ученые надеются, что собранные ими данные помогут понять, как можно управлять поведением Моттовских изоляторов, что позволит им быстрее проникнуть в промышленность и быт.
