Вчені пустили хвилю в надпровідності нового матеріалу

Фізики зі США та Японії спроектували та виробили матеріал з хвилеподібною структурою, незвичайними надпровідними та металевими властивостями. Матеріал попередньо спроектували теоретично, і після виготовлення він показав усі заплановані властивості.

Двовимірні матеріали, що складаються з небагатьох шарів атомів, привертають увагу фізиків широкими можливостями модифікацій. Повороти та скручування під невеликим кутом створюють унікальний візерунок – муарову надрешітку – який призводить до появи у матеріалі надпровідності та некласичного магнетизму. 

Але такі конфігурації матеріалів складно як створювати, так і вивчати через їхню атомарну товщину. Автори дослідження застосували інший підхід. Вони створили матеріал за допомогою «раціонального проектування» — моделювання матеріалів з бажаними властивостями. Робота опублікована в журналі Nature. 

Дослідники змішали порошки сульфіду стронцію (SrS), танталу (Ta) і сірки (S) у присутності хлориду стронцію (SrCl₂), нагріли їх до сотень градусів Цельсія і поклалися на хімічні реакції, які природним чином сформували макроскопічні кристали з потрібними властивостями. Параметри матеріалу визначають взаємодії атомарному рівні. Простоту формування матеріалу дослідники вважають проривом. Отриманий матеріал складається з шарів H-TaS₂ та SrTa₂ S₅.

Структура матеріалу незвичайна — він сформований хвилеподібними шарами, товщина яких становить мільярдні частки метра. Шарів достатньо для утворення великого, придатного для точних досліджень зразка. Великі розміри полегшують вивчення взаємодій на атомному рівні, що формують властивості речовини. 

Хоча існують інші матеріали з хвилеподібними атомними структурами, дослідники вважають свій зразок найдосконалішим. Нанорозмірні шари хвиль рівномірні по всьому кристалу в тисячах шарів. 

Новий матеріал нагадує листковий пиріг: він складається з атомарно тонкого шару танталу та сірки, покладеного на проміжний шар стронцію, танталу та сірки. Ця структура повторюється тисячі разів, утворюючи макроскопічний кристал. 

Хвилі в кристалі виникають через невідповідність один одному розмірів і типу кристалічних ґрат сусідніх шарів матеріалу. Шар без стронцію згинається, щоб умістити поверх іншого шару, створюючи хвилі. Уявіть, що ви кладете аркуш паперу формату А3 на менший аркуш А4. Щоб перший лист вмістився, йому доведеться зігнутися. У новій структурі листи хіба що «закріплені» у кількох точках, створивши хвилі. 

Нанорозмірні хвилі пояснюють незвичайні властивості матеріалу. При температурі близько трьох градусів Кельвіна він стає надпровідником, а надпровідність повторює хвилеподібність. У деяких місцях вона сильніша, в інших слабша. 

Матеріал має і незвичайні металеві властивості. Тому що електронам легше рухатися вниз по западинах хвилі, ніж підніматися та долати вершини.  Хіміки та матеріалознавці планували новий матеріал виходячи з того, які властивості хотіли отримати. Результат експерименту має задані властивості. Це означає, що вчені зможуть створити ще більше матеріалів із заздалегідь відомими властивостями, а не досліджувати параметри випадкових матеріалів.