Американские ученые обнаружили редкий квантовый материал, который способен переключаться между двумя различными электронными состояниями по требованию. Исследовательская группа под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США выявила это уникальное свойство в новом типе сульфидного материала никеля, известном под формулой KxNi4S2. В этом соединении атомы никеля и серы расположены между слоями калия, причем количество калия может варьироваться от нуля до единицы в зависимости от образца, что открывает возможность тонкой регулировки свойств материала.
Как пояснил профессор Северо-Западного университета Меркури Канацидис, возглавлявший исследование, количество калия в материале можно изменять от полного насыщения до полного истощения, а также фиксировать любые промежуточные состояния. Ученый подчеркнул, что не знает другого материала, способного переключаться между квантовыми состояниями в пределах одной и той же структуры. Сам KxNi4S2 был впервые разработан в 2021 году в рамках проекта по созданию новых сверхпроводников, однако при изучении его свойств исследователи обнаружили неожиданный эффект: приложение электрического тока вытесняет калий из слоев, что приводит к изменению общей формы материала.
Этот процесс оказался обратимым, что позволило материалу проявлять две различные квантовые особенности: конусы Дирака и плоские полосы. В состоянии Дирака электроны ведут себя как почти безмассовые частицы и движутся чрезвычайно быстро, а в состоянии плоской зоны они замедляются, словно становятся тяжелее. Такая двойственность превращает материал в своего рода контроллер транспортного потока, позволяя точно регулировать скорость и направление движения электронов. По мнению исследователей, подобный контроль крайне востребован в современной электронике, особенно при создании высокоскоростных процессоров и интеллектуальных датчиков.
Для подтверждения своих выводов ученые создали образцы в Центре наноматериалов Аргоннской лаборатории, где с помощью высокопроизводительного вычислительного кластера рассчитали их электронную структуру, а затем провели наблюдения на источнике синхротронного излучения. Канацидис отметил, что высокое содержание никеля в этом соединении заставляет атомы взаимодействовать и связываться друг с другом, и именно это, по всей вероятности, лежит в основе его необычных свойств. Возможность переключать квантовые состояния в одном материале может радикально упростить проектирование устройств: вместо использования нескольких компонентов инженеры смогут полагаться на единую систему, которая изменяет свое поведение в реальном времени. Результаты исследования опубликованы в рецензируемом журнале Matter.
