Давление помогло превратить проводник в изолятор и обратно

Способность материала проводить ток определяется движением свободных электронов, поэтому металлы — хорошие проводники. В изоляторах электроны «зафиксированы» куда прочнее, и, чтобы заставить их перемещаться, требуется больше энергии, чем обычно несет приложенное напряжение. Однако физики из Рочестерского университета и Университета Невады нашли соединение, которое ведет себя совсем нестандартно. Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Ашкан Саламат (Ashkan Salamat) и его коллеги изучали проводящие свойства металлических сульфидов, обратив внимание на дисульфид марганца. При обычных условиях это умеренный изолятор. Однако, поместив его 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.

При этом дальнейшее повышение давления (до 36 гигапаскалей) переводило к обратному переходу, и MnS2 снова становился изолятором. «Обычно металлы остаются металлами; крайне маловероятно, чтобы их можно было превратить в изоляторы, — говорит Ранджа Диас (Ranga Dias), один из авторов работы. — То, что этот материал переходит от изолятора к металлу и обратно к изолятору, — огромная редкость».

Ученые показали, как большое давление вызывает «переключение» дисульфида марганца в проводящее состояние. В таких условиях отдельные атомы смещаются ближе друг к другу, благодаря чему их внешние электроны могут взаимодействовать и спариваться. В результате в кристаллической решетке возникает пространство, по которому могут двигаться заряды. Наконец, при еще большем давлении решетка становилась слишком «густой».

Авторы подчеркивают, что переходы дисульфида марганца происходят при комнатной температуре и сравнительно умеренном давлении. Как правило, для этого требуется использовать криогенные условия и на порядок более сильное сжатие. Напомним, что, создав давление около 500 гигапаскалей, можно получить даже металлический водород — форму, в которой он существует в недрах гигантских планет.