Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон создали материал, который может переходить от металла, передающего электричество, к непроводящему изоляционному материалу без изменения его атомной структуры.

Чанг-Бом Эом (справа) и Марк Ржовски осматривают камеру выращивания материалов. Исследователи создали новый материал, который можно переключать с электрического проводника на изолятор. Фото: UW-Мэдисон, Сэм Миллион-Уивер

«Это довольно захватывающее открытие», — говорит Чанг-Бом Эом, профессор материаловедения и инженерии. «Мы нашли новый метод электронного переключения».

Новый материал может заложить основу для сверхбыстрых электронных устройств. Эом и его международная команда сотрудников опубликовали подробности их продвижения сегодня (30 ноября 2018 года) в журнале Science .

Металлы, такие как медь или серебро, проводят электричество, тогда как изоляторы, такие как резина или стекло, не пропускают ток. Однако некоторые материалы могут переходить от изоляционных к проводящим.

Этот переход обычно означает, что расположение атомов материала и его проводящих электронов должно изменяться согласованным образом, но атомный переход обычно протекает гораздо медленнее, чем меньшие, более легкие электроны, которые проводят электричество.

По словам Эома, материал, который может переключаться на проводящее электричество, как металл, не перемещая его атомы, может значительно повысить скорость переключения современных устройств.

«Переход металл-изолятор очень важен для коммутаторов и для логических устройств с одним или нулевым состоянием», — говорит он. «У нас есть потенциал, чтобы использовать эту концепцию для очень быстрых переключений».

В своих исследованиях Эом и его сотрудники ответили на фундаментальный вопрос, который беспокоил ученых долгие годы: можно ли отделить электронный и структурный переход — по сути, могут ли быстро меняющиеся электроны разорваться сами по себе и оставить атомы позади?

Они использовали материал под названием диоксид ванадия, который представляет собой металл при нагревании и изолятор при комнатной температуре. При высоких температурах атомы, из которых состоит диоксид ванадия, расположены регулярно повторяющимся образом, который ученые называют фазой рутила. Когда диоксид ванадия остывает, чтобы стать изолятором, его атомы принимают другую модель, называемую моноклинной.

Никакие природные вещества не проводят электричество, когда их атомы находятся в моноклинной конформации. И требуется время, чтобы атомы перестроились, когда материал достиг температуры перехода изолятор-металл.

Важно отметить, что диоксид ванадия переходит между металлом и изолятором при разных температурах в зависимости от количества кислорода, присутствующего в материале. Исследователи использовали этот факт для создания двух тонких слоев диоксида ванадия — один с немного более низкой температурой перехода, чем другой, — расположенных друг над другом, с четкой границей между ними.

Когда они нагревали тонкий сэндвич с диоксидом ванадия, один слой сделал структурный переключатель металлом. Атомы в другом слое оставались заблокированными в изолирующей моноклинной фазе. Удивительно, однако, что эта часть материала провела электричество.

Самое главное, что материал оставался стабильным и сохранял свои уникальные характеристики.

Хотя другие исследовательские группы пытались создать электропроводящие изоляторы, эти материалы теряли свои свойства практически мгновенно — сохраняясь в течение нескольких фемтосекунд или нескольких тысячных одной триллионной доли секунды.

Материал команды Eom, однако, здесь, чтобы остаться.

«Мы смогли стабилизировать его, сделав его полезным для реальных устройств», — говорит Эом.

Ключом к их подходу была двухслойная многослойная структура. Каждый слой был настолько тонким, что интерфейс между двумя материалами доминировал в поведении всего стека. Это понятие, которое Eom и коллеги планируют продолжить.

«Разработка интерфейсов может открыть новые материалы», — говорит Эом.

Исследовательский фонд выпускников штата Висконсин оказывает помощь исследователям в регистрации патентов.

По материалам phys.org