Ученые нашли способ превращать один материал в сверхпроводник, металл и изолятор

Ученые из института RIKEN нашли способ управлять поведением молибдена дисульфида, позволяя ему выступать в роли сверхпроводника, металла, полупроводника или изолятора. Для этого исследователи использовали специальную схему на транзисторе, вводя калиевые ионы и регулируя температурные условия. Такой подход позволил добиться значительных изменений в электронных свойствах материала, в том числе неожиданно перевести его в состояние сверхпроводимости или изоляции.

Работу возглавил Ёсихиро Иваса из Центра перспективных материалов науки RIKEN. Основой исследования стал слой дисульфида молибдена, где атомы молибдена располагаются между слоями серы. В зависимости от структуры серы материал может принимать две формы: 2H-фазу, проявляющую свойства полупроводника, и 1T-фазу, ведущую себя как металл. При этом 2H-дисульфид молибдена рассматривается как перспективный компонент для новых полупроводниковых устройств.

Для изучения переходов между фазами ученые собрали специальный полевый транзистор, к которому подключили образец 2H-фазы материала. Меняя напряжение, они точно контролировали внедрение калиевых ионов в структуру дисульфида молибдена. Когда концентрация калия достигала примерно двух ионов на каждые пять атомов молибдена, происходил резкий переход к 1T-фазе, что связано с изменением соотношения ионов и структуры кристалла.

Дальнейшие эксперименты показали, что при добавлении определенного количества калия и охлаждении до температуры минус 268°C, 1T-фаза материала демонстрирует явления сверхпроводимости. Неожиданным оказалось, что сверхпроводимость обнаружили именно в этой фазе, причем при другой температуре, чем в 2H-структуре.

Еще одним открытием стало превращение материала из металла в изолятор. Это произошло, когда ученые позволили части калиевых ионов покинуть структуру 1T-дисульфида молибдена и охладили его до минус 193°C. Такой переход оказался неожиданным и привлек дополнительное внимание исследователей.

Эти результаты показывают, что с помощью ионизации калия можно эффективно управлять структурой и свойствами двухмерных материалов, открывая новые возможности для исследования и создания новых сверхпроводников.