Fizycy z japońskiego instytutu RIKEN osiągnęli coś, co jeszcze kilka lat temu wydawało się science fiction: stworzyli technikę, dzięki której jeden cienkowarstwowy materiał może przyjmować cztery zupełnie różne stany elektroniczne. Disiarczek molibdenu (MoS2), substancja dobrze znana ze swoich właściwości półprzewodnikowych, został zamieniony w metal, izolator, a nawet nadprzewodnik – i to dzięki starannej manipulacji jonami potasu oraz zmianie temperatury. Odkrycie opisane w Nano Letters otwiera nowe możliwości dla przyszłości elektroniki, komputerów kwantowych i badań nad nadprzewodnictwem.
Czytaj też: Zaskoczenie! Magnez może być nadprzewodnikiem. Trzeba go tylko bardzo sprasować
Jak tłumaczy prof. Yoshihiro Iwasa z RIKEN Center for Emergent Matter Science, lider zespołu badawczego:
Różnorodność właściwości elektronicznych uzyskanych na bazie jednego materiału jest nie tylko fascynująca, ale też potencjalnie przełomowa dla nauki o materiałach.
Disiarczek molibdenu to materiał o wielu twarzach
Cienkie warstwy disiarczku molibdenu, zbudowane z atomów molibdenu otoczonych siarką, mogą istnieć w dwóch odmianach strukturalnych: fazie 2H, wykazującej właściwości półprzewodnikowe, oraz fazie 1T, przypominającej zachowaniem metal. Nowe badania pokazują, że za pomocą kontrolowanej ingerencji można przełączać się pomiędzy tymi fazami, a także uzyskiwać niespodziewane zjawiska, jak nadprzewodnictwo i izolację.
Czytaj też: Poważne osiągnięcie. Nowa klasa nadprzewodników, które nie potrzebują miedzi
Kluczowym elementem eksperymentu było zbudowanie specjalnego tranzystora polowego, połączonego z płatkiem MoS2 w fazie 2H. Zamiast standardowej pracy tranzystora, urządzenie pozwalało precyzyjnie wprowadzać jony potasu do warstwy materiału poprzez regulację przyłożonego napięcia. W miarę zwiększania stężenia potasu MoS2 ulegał gwałtownej przemianie strukturalnej – z półprzewodnikowej fazy 2H przechodził do metalicznej fazy 1T.
Zespół zauważył, że krytyczny moment zmiany następuje, gdy na pięć atomów disiarczku molibdenu przypadają średnio dwa jony potasu. To odkrycie jasno pokazało, że ilość wprowadzonych jonów jest precyzyjnym “przełącznikiem” decydującym o fazie materiału.
W najbardziej spektakularnej części eksperymentu naukowcy schłodzili próbkę disiarczku molibdenu do temperatury -268oC, przy odpowiednim stężeniu potasu. Ku ich zaskoczeniu, materiał w fazie 1T, dotąd uważanej za metaliczną, zaczął wykazywać właściwości nadprzewodnika – czyli zdolność do przewodzenia prądu bez żadnego oporu.
Chociaż nadprzewodnictwo w MoS2 fazy 2H było znane wcześniej, fakt, że udało się je wywołać w fazie 1T, stanowił zupełną nowość. Co więcej, zjawisko występowało w innych warunkach temperaturowych, co sugeruje istnienie odrębnego mechanizmu nadprzewodnictwa.
Eksperymenty przyniosły jednak jeszcze jedno zdumiewające odkrycie. Kiedy badacze umożliwili powolne “wypływanie” jonów potasu z MoS2 w fazie 1T i obniżyli temperaturę próbki do -193oC, materiał niespodziewanie przestał przewodzić prąd, przechodząc w stan izolatora. Iwasa podkreślił, że tego efektu kompletnie się nie spodziewano. Pokazuje to, jak subtelne zmiany w składzie chemicznym mogą dramatycznie wpływać na właściwości elektronowe cienkowarstwowych materiałów.
Wyniki jednoznacznie wskazują, że wprowadzenie jonów potasu jest niezwykle skuteczną metodą precyzyjnego sterowania zarówno strukturą krystaliczną, jak i właściwościami funkcjonalnymi dwuwymiarowych materiałów takich jak MoS2.
Choć odkrycie może wyglądać na efekt jednego przełomowego eksperymentu, w rzeczywistości jest zwieńczeniem dekady pracy. Jak wyjaśnia Iwasa, technikę wprowadzania jonów w cienkowarstwowe materiały z wykorzystaniem tranzystorów polowych rozwijano w jego laboratorium od około dziesięciu lat.
Zdaniem naukowców, metoda ta nie tylko umożliwia badanie nieznanych wcześniej własności nadprzewodników i faz powiązanych, ale także może stać się potężnym narzędziem do odkrywania całkowicie nowych nadprzewodników i materiałów o nietypowych właściwościach elektronowych.