Ученые превратили изолятор в проводник

Ученые из Канады, США, Германии и Швейцарии нашли способ переключать электрическую проводимость в материалах от металлической до полного ее отсутствия. Результаты работы представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Все материалы так или иначе можно разделить на проводники, полупроводники и изоляторы. На электронном уровне они отличаются шириной запрещенной зоны, которая определяет легкость, с которой электроны из связанных с атомами становятся путешествующим в материале электронным газом. Этот газ, в свою очередь, обуславливает проведение электрического тока в материале.

Однако и изоляторы бывают разные. Один из самых интересных видов этих материалов — изоляторы Мотта. Согласно теории электрической проводимости, они должны быть проводниками, но на деле являются диэлектриками. Это обуславливается высоким значением энергии межэлектронного взаимодействия в этих материалах, которая превышает кинетическую энергию электронов и не дает им преодолеть запрещенную зону.

Теперь ученые из Университета Британской Колумбии, Института Пауля Шеррера и Института исследования твердых тел Общества Макса Планка нашли способ изменить природу одного из материалов такого рода. Для своих экспериментов исследователи использовали иридат стронция Sr2IrO4. Сначала исследователи проанализировали свойства материала с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Обнаружилось, что спин-орбитальное взаимодействие замедляет электроны до такой степени, что они становятся чувствительными к присутствию друг друга, что затрудняет их переход через запрещенную зону в зону проводимости.

Также исследователи нашли способ уменьшить этот квантовый эффект. Для этого они допировали материал атомами родия и рутения. Добавление этих элементов, как и ожидалось, увеличило проводимость изолятора, превратив его в проводник. По словам авторов исследование, открытие сможет помочь лучше исследовать магнетизм и сверхпроводимость, а также открыть новые свойства таких материалов, которые могут быть важны для квантовых вычислений, хранения данных, проведения и получения электроэнергии.