Металлы — это соединения, способные проводить поток электронов, составляющих электрический ток. Другие материалы, называемые изоляторами, не могут проводить электрический ток. При низких температурах все материалы можно разделить на изоляторы или металлы.Изоляторы можно протолкнуть через перегородку от изолятора к металлу, настроив условия окружающей среды, в частности, поместив на них давление.
Долгое время считалось, что после того, как такой материал превратится в металл под давлением, он останется таким навсегда по мере увеличения давления. Эта идея восходит к зарождению квантовой механики в первые десятилетия прошлого века.
Но недавно было обнаружено, что некоторые группы металлов становятся изолирующими под давлением — замечательное открытие, которое ранее считалось невозможным.Например, литий превращается из металлического проводника в несколько стойкий полупроводник при давлении, примерно в 790 000 раз превышающем нормальное атмосферное давление (80 гигапаскалей), а затем снова становится полностью металлическим при давлении примерно в 1,2 миллиона раз превышающем нормальное атмосферное давление (120 гигапаскалей). Натрий переходит в изолирующее состояние при давлении, примерно в 1,8 миллиона раз превышающем нормальное атмосферное давление (180 гигапаскалей).
Прогнозируется, что кальций и никель будут иметь аналогичные изоляционные состояния до того, как станут металлическими.Хемли и Наумов хотели определить объединяющую физическую основу, лежащую в основе этих неожиданных переходов металл-изолятор-металл.«Разработанные нами принципы позволят прогнозировать, когда металлы станут изоляторами под давлением, а также обратный переход, когда изоляторы могут стать металлами», — сказал Наумов.Начало этих переходов может определяться положением электронов в основной структуре материала.
Изоляторы обычно становятся металлическими из-за уменьшения расстояния между атомами в материале. Хемли и Наумов продемонстрировали, что для того, чтобы металл стал изолятором, эти перекрытия с уменьшенным расстоянием должны быть организованы в особую асимметрию, которая ранее не была признана. В этих условиях электроны локализуются между атомами и не текут свободно, как в металлической форме.
«Это еще один пример того, как экстремальное давление является важным инструментом для продвижения нашего понимания принципов природы материалов на фундаментальном уровне. Эта работа будет иметь значение для поиска новых энергетических материалов». — сказал Хемли.