Научный коллектив физиков из НИТУ "МИСиС"и УрО РАН (Россия), Университета Тель-Авива (Израиль), Университета Байройта (Германия) и Линчёпинского университета (Швеция) открыли совершенно новое объяснение одного из общепринятых физических постулатов — фазового перехода диэлектрик-металл, описанного в 1949 г сэром Hевиллом Френсисом Моттом. Новые и неожиданные свойства материалов, открытые в исследовании, будут востребованы в микроэлектронике и геофизике в качестве катализаторов и сенсоров; результаты опубликованы в престижном международном журнале Physical Review X.
Чтобы найти новое объяснение для общепринятого в научном мире постулата, а тем более удостоенного Нобелевской премии, нужна по-настоящему прорывная разработка. Это удалось международной группе ученых из НИТУ «МИСиС», Уральского отделения РАН, Университета Тель-Авива, немецкого Университета Байройта и шведского Линчёпингского университета. Речь идет об одном удивительном явлении, которое физики впервые наблюдали еще в начале прошлого века. Оксид железа (гематит), который является изолятором и не проводит электрический ток, при давлении около 1 миллиона атмосфер неожиданно превращался в хороший проводник. Почему происходит такой фазовый переход вещества из одного состояния в другое? Над объяснением феномена физики бились не один десяток лет. Его нашел британец Hевилл Франсис Мотт, за что в 1977 году был удостоен Нобелевской премии. Что же не устроило современных физиков в теории лауреата?
Классик современной физики сэр Невилл Мотт впервые описал, как происходит превращение материала из диэлектрика в проводник, и получил за это Нобелевскую премию в 1977 г. С тех пор схема считалась классической и была обязательной для изучения всеми физиками. Однако совсем недавно упомянутая группа ученых открыла абсолютно иную схему фазового перехода — названную ими пространственно-селективным переходом Мотта.
Коллектив работал с материалом-изолятором, гематитом или оксидом железа Fe2O3 (грубо говоря, это ржавчина, которая совершенно не проводит электрический ток), поместив его в алмазную наковальню и сжимая при сверхдавлениях до 100 ГПа. (до 1 млн атмосфер). При таких экстремальных внешних условиях гематит-изолятор становится проводником, происходит фазовый переход.
Гематит является одним из классических примеров диэлектрика Мотта. Описание физических свойства данного соединения представляет большой фундаментальный интерес как для понимания физики различных магнитно-структурных превращений вблизи металлизации системы под давлением (в магнитных/электрических полях, при легировании и т.д.), так и для геологии (геохимии и геофизики), т.к. Fe2O3 является одним из самых распространенных соединений недр Земли.
Главная неожиданность результата исследования заключается в том, что в одном кристалле Fe2O3 при сверхдавлениях возникает одновременно ДВЕ атомно-кристаллические подрешетки. При этом материал в одно и то же время обладает признаками металла (проводника) и диэлектрика. происходит сложное магнитно-структурное превращение, приводящее к формированию двух подрешеток железа с принципиально разными свойствами —
«Если кратко, в рамках исследования (теория и эксперимент) свойств соединения Fe2O3 под давлением нами было предложено совершенно новое объяснение фазового перехода диэлектрик-металл Мотта, — рассказал соавтор исследования, научный сотрудник НИТУ „МИСиС“ д.ф-м.н Иван Леонов — С фундаментальной точки зрения мы описали новый класс фазовых переходов в соединениях с сильными корреляциями (это большой класс материалов, широко исследуемый в данный момент; к данному классу относятся высокотемпературные сверхпроводники на основе меди или железа, соединения с колоссальным магнетосопротивлением, сегнетоэлектрики, магнетики и т.д.); фактически было описано новое состояние вещества, характеризующееся как свойствами металла, так и диэлектрика».
Результаты исследования имеют важное значение для понимания физических процессов в нижней мантии Земли, помимо этого, описанные свойства нового состояния вещества безусловно будут интересны в микроэлектронике, а также для создания инновационных датчиков или переключателей в авиастроении, в космической и автомобильной промышленностях.
