Большинство материалов также могут быть только одним предметом одновременно, но группа инженеров и физиков из Университета Висконсин-Мэдисон создала совершенно новый материал, в котором могут сосуществовать совершенно противоположные свойства.
Соединение, которое исследователи описали в исследовании, опубликованном 20 апреля журналом Nature, представляет собой полярный металл.
«Полярные металлы невозможны», — говорит Чанг-Беом Эом, профессор материаловедения и инженерии, руководивший исследованием.
Невзирая на законы Вселенной, Эом и его коллеги создали соединение, которое является научным оксюмороном.
С помощью нового подхода к синтезу, поддерживаемого компьютерным моделированием, группа создала кристалл с множеством свойств: частично полярным, частично металлическим.
Металлы проводят электричество, потому что электроны свободно перемещаются по ним.
Полярные материалы, напротив, препятствуют свободному течению электронов и работают как электрические изоляторы.
Команде Эома нужно было найти что-то, что могло бы продемонстрировать как изоляционные, так и проводящие свойства. Сначала они разделили полярную и металлическую части кристалла. Некоторые электроны дали начало металлической природе, перемещаясь внутри материала, чтобы проводить электричество.
Другие электроны внесли свой вклад в полярные свойства.
Однако, поскольку естественная молекулярная структура материала симметрична, даже после разделения двух компонентов материал в целом не будет действовать полярно.
Равное и противоположное расположение электронов нейтрализует друг друга. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи синтезировали вещество с немного нестандартными атомами, что нарушило внутреннюю симметрию, достаточную для того, чтобы сделать материал полярным.
«Первоначальные расчеты, предложенные теорией, не показали полярной природы, поэтому мы экспериментально протестировали материалы, а затем вернулись и улучшили модели», — говорит Эом. «Мы перебирались между теорией и экспериментами, но, что наиболее важно, мы фактически создали материал, продемонстрировали его полярные и металлические свойства и разработали понимание того, как это происходит."
В конце концов, Эом и его коллеги создали полярный металл путем кропотливого выращивания тонких пленок материала по одному атому за раз.
Что особенно важно, они вырастили вещество на вершине опорной решетки со слегка смещенной молекулярной организацией. Плотно прижимая растущую пленку к этой опоре, внутреннее расположение материала искажалось, что стабилизировало ее внутреннюю геометрию в асимметричной ориентации, необходимой для сохранения полярности.
Синтез и описание этого первого в своем роде материала потребовали терпения и точности. Исследователи подсчитали каждый атом, осевший на поверхности, поскольку вещество медленно росло по одному слою за раз.
Затем они использовали несколько сложных оптических, электронных и структурных измерений, чтобы определить его свойства.
Их подход представляет собой попытку ускорить открытие многофункциональных материалов с необычными сосуществующими свойствами, открывая путь к устройствам, способным выполнять одновременно электрические, магнитные и оптические функции.
"Это была сложная работа, и теоретические и экспериментальные вклады всех участников сотрудничества были очень важны.
В противном случае проект не добился бы успеха », — говорит Эом.