Ученые открыли уникальный материал, переключающийся между двумя квантовыми состояниями по требованию
Исследователи из США обнаружили редкий квантовый материал, который может по требованию переключаться между двумя различными электронными состояниями. Это открытие способно открыть путь к созданию более быстрых компьютерных чипов и адаптивных датчиков.
Работа, проведенная под руководством Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории, позволила идентифицировать новое переключаемое квантовое свойство в материале, представляющем собой разновидность сульфида никеля, известного как KxNi4S2 (где x находится в диапазоне от 0 до 1). Данное соединение характеризуется тем, что слои никеля и серы расположены между слоями калия, количество которого может варьироваться от нуля до единицы в зависимости от образца.
«Вы можете регулировать количество калия, выходящего из материала, от полного заполнения до полного опустошения и всех промежуточных состояний», — отметил Меркури Канацидис, доктор философии, профессор Северо-Западного университета, возглавивший исследование. Профессор Канацидис подчеркнул, что материал может переключаться между квантовыми состояниями в рамках одной и той же структуры, добавив: «Я не могу назвать другой материал, способный на это. Если такой и существует, он малоизвестен».
Материал KxNi4S2 был впервые разработан в 2021 году в рамках проекта, нацеленного на создание новых сверхпроводников. Однако в процессе изучения его свойств исследователи обнаружили, что при подаче электрического тока калий выталкивается из слоев. Это, в свою очередь, приводило к схлопыванию «сэндвича» из слоев, изменяя общую форму материала. Процесс оказался обратимым, что позволило материалу вмещать в себе две различные квантовые особенности: конусы Дирака и плоские зоны.
Эти два состояния играют решающую роль в контроле над поведением электронов. В состоянии Дирака электроны ведут себя так, будто они почти не имеют массы, и движутся с чрезвычайно высокой скоростью. В свою очередь, состояние плоских зон замедляет электроны, заставляя их вести себя так, будто они стали тяжелее. Эта двойственность фактически превращает материал в «регулировщика» электронного трафика, позволяя точно настраивать скорость и поток. По словам научной группы, такой контроль является крайне востребованным в современной электронике. Устройства, способные динамически адаптировать электронное поведение, могут значительно повысить производительность, эффективность и функциональность широкого спектра технологий, от высокоскоростных процессоров до интеллектуальных датчиков.
В ходе исследования ученые создали образцы материалов в Центре наноматериалов Аргоннской национальной лаборатории, где они также рассчитали их электронную структуру с помощью высокопроизводительного вычислительного кластера Bebop. Они подтвердили существование двойственных состояний в KxNi4S2, используя наблюдения, проведенные в источнике фотонов Advanced Photon Source. Оба этих центра являются пользовательскими научными учреждениями Управления науки Министерства энергетики США.
Профессор Канацидис отметил в пресс-релизе: «Высокое содержание никеля в этом материале означает, что атомы никеля вынуждены взаимодействовать и связываться друг с другом, и, как мы полагаем, именно это придает ему его интересные свойства». Способность переключать квантовые состояния в одном материале может упростить проектирование устройств. Вместо использования нескольких различных материалов инженеры могли бы полагаться на единую систему, которая меняет свое поведение в реальном времени. Кроме того, это открытие открывает новые возможности для создания квантовых материалов.
«Теперь у нас есть гораздо более глубокое понимание того, что придает этому типу соединений его свойства, и мы хотим обобщить наш метод синтеза, чтобы найти больше материалов, подобных этому», — заключил Канацидис.
Исследование было в научном журнале Matter.