Przewodnik i izolator w jednym, a to wszystko dzięki ciśnieniu

W czasopiśmie Physical Review Letters publikacji doczekał się owoc prac zespołu naukowców z University of Rochester i University of Nevada w Las Vegas, który odszukał ciekawie zachowujący się materiał. To nic innego, jak przewodnik oraz izolator w jednym, ale nie jednocześnie, a zamiennie zależnie od ciśnienia.

Izolatory i półprzewodniki w skrócie

Izolatory oraz przewodniki, to dwa zupełnie odmienne światy, które w fizycznym ujęciu znajdują się na przeciwległych końcach przewodnictwa. Sprawa z nimi związana jest prosta – izolatory (np. guma) nie przepuszczają przez siebie prądu (elektronów), a przewodniki (np. miedź) wręcz przeciwnie.

Czytaj też: Powstaje wielki magazyn energii na bazie akumulatorów żelazowo-powietrznych

Wchodząc w szczegóły, ich przewodność jest określeniem tego, jak łatwo elektrony mogą przez niego przechodzić. Określa się to trzema różnymi poziomami pasma wzbronionego, w którego środku znajdują się powszechnie stosowane w elektronice półprzewodniki. To określa się tym, ile energii potrzebują elektrony do swobodnego przemieszczania się przez materiał. Im jest ona niższa, tym lepiej dla przewodności.

Zależnie od ciśnienia MnS2, to przewodnik i izolator w jednym

Chociaż trudno wyobrazić sobie połączenie zupełnie niezwiązanych ze sobą materiałów (pod kątem właściwości przewodnictwa) w jednym, to tego typu materiał właśnie odnaleziono. Naukowcy doszukali się ciekawego mechanizmu w MnS2, czyli związku manganu i siarczku, który w normalnych warunkach jest izolatorem, ale pod ciśnieniem zyskuje właściwości przewodzące. Co najważniejsze, powrót do zwyczajnego ciśnienia sprawiał, że MnS2 ponownie stawał się izolatorem.

Czytaj też: Kosmiczny samolot Chin po locie testowym. To odpowiedź na X-37B USA?

Metale zwykle pozostają metalami; jest wysoce nieprawdopodobne, aby można je było następnie zmienić z powrotem w izolator. Fakt, że ten materiał przechodzi z izolatora w metal i z powrotem do izolatora, jest bardzo rzadki.

– mówi Ranga Dias, autor badania.
Ilustracja atomowej struktury materiału

Po przyjrzeniu się materiałowi, zespół odkrył, dlaczego manipulacja ciśnieniem wpływa na ten materiał. Zobrazowano to na powyższej ilustracji, gdzie widzimy jony atomowe manganu w postaci fioletowych kółek i przypominające „ósemki” jony tlenku disiarki. W normalnych te elementy nie dotykają się (widać to po lewej stronie), co jest równoznaczne z pełnieniem funkcji izolatora, ale zwiększenie ciśnienia sprawia, że zbliżają się do siebie, co zupełnie odmienia przewodność materiału.

Czytaj też: Czy włókno węglowe można ulepszyć? Można. Wystarczy sól

Ten mechanizm nie wymaga jednocześnie specjalnych warunków, bo te przejścia można zaobserwować w temperaturze pokojowej 27°C i przy ciśnieniu od 3 do 10 gigapaskali.

Micron pokazał swoje 176-wartwowe NAND, DRAM na procesie 1α, Micron 1 alfa

Teraz pozostaje najważniejsze pytanie – po co to wszystko? Wedle zespołu, MnS2 może znaleźć zastosowanie w nośnikach danych:

Można sobie wyobrazić przełącznik logiczny lub zapisujący dysk twardy, gdzie bardzo, bardzo mała permutacja napięcia lub napięcia może spowodować, że coś przeskoczy z jednego stanu elektronicznego do drugiego. Nowe wersje pamięci flash lub pamięci półprzewodnikowej mogą permutować i przyjąć nowe podejście przy użyciu tego rodzaju materiałów.

– mówi Ashkan Salamat, autor badania.