Электроны внутри этого кристалла не знают, тяжёлые они или лёгкие — пока им не скажут. Учёные говорят, что это хорошая новость для чипов

Американские ученые нашли редкий квантовый материал, который умеет по команде переключаться между двумя разными электронными режимами. Для электроники находка выглядит очень заманчиво: один и тот же кристалл может то разгонять электроны почти до предела, то, наоборот, резко замедлять их. Такая управляемость в будущем может пригодиться при создании более быстрых чипов и датчиков, которые подстраиваются под условия работы прямо на лету.

Работу возглавила Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США. Исследователи изучали новый никелевый сульфид с формулой KxNi4S2, где количество калия меняется от нуля до единицы в зависимости от образца. Структура соединения устроена слоями: никель и сера образуют основу, а между слоями располагается калий. Именно подвижность калия и стала главным сюрпризом. Ученые выяснили, что содержание калия можно плавно менять, причем не только между крайними состояниями, но и через промежуточные варианты.

Группа под руководством профессора Северо-Западного университета Меркури Канатзидиса пришла к выводу, что материал сохраняет одну и ту же базовую структуру, но при этом переключается между двумя разными квантовыми состояниями. Для подобных соединений такое поведение большая редкость. Канатзидис отдельно отметил, что ему неизвестны другие хорошо изученные материалы, которые в одной структуре так же наглядно переходили бы из одного режима в другой.

История открытия началась еще в 2021 году. Тогда KxNi4S2 синтезировали в рамках проекта по поиску новых сверхпроводников. Позже, когда исследователи начали подробно разбирать свойства соединения, выяснилось, что при пропускании электрического тока атомы калия можно выталкивать из межслоевого пространства. После выхода калия слоистая конструкция сжимается, а исходный сэндвич из атомных слоев схлопывается. Вместе с геометрией меняется и электронная структура вещества. Процесс оказался обратимым, поэтому материал можно переводить туда и обратно между двумя режимами, а не получать однократный эффект после разрушения образца.

На этом месте и проявились два ключевых состояния: конусы Дирака и плоские зоны. Оба термина относятся к электронной структуре кристалла и определяют, как именно внутри него движутся электроны. В режиме с конусами Дирака носители заряда ведут себя почти как безмассовые частицы и движутся очень быстро. В режиме плоских зон картина становится другой: электроны словно тяжелеют и заметно замедляются. Один и тот же материал в буквальном смысле меняет правила движения заряда внутри собственной структуры.

По сути, KxNi4S2 работает как регулируемый диспетчер электронного потока. В одном состоянии материал открывает быструю траекторию для движения заряда, в другом притормаживает поток и меняет характер переноса. Для современной электроники такая точная настройка давно считается очень желанной, потому что разработчикам нужны материалы, которые не просто проводят ток, а позволяют гибко управлять скоростью и плотностью движения электронов под конкретную задачу.

Практический смысл у такого эффекта вполне прямой. Если инженеры получат материал, который сам переключает электронное поведение по команде, устройство можно будет сделать проще. Вместо набора разных компонентов с разными функциями появится шанс использовать одну систему, которая в нужный момент меняет свойства в реальном времени. Авторы работы прямо связывают такой подход с перспективами для высокоскоростных процессоров и умных датчиков, где важны и скорость, и точность настройки, и экономия энергии.

Экспериментальную часть работы выполнили в Центре наноразмерных материалов Аргоннской лаборатории. Там ученые изготовили образцы и рассчитали электронную структуру вещества с помощью высокопроизводительного вычислительного кластера Bebop. Затем наличие двух состояний в KxNi4S2 с разным содержанием калия подтвердили наблюдениями на установке Advanced Photon Source, которая работает как мощный источник синхротронного излучения. И Центр наноразмерных материалов, и Advanced Photon Source входят в число пользовательских научных объектов Управления науки Министерства энергетики США.

Исследователи также обратили внимание на высокую долю никеля в соединении. Из-за такого состава атомы никеля вынуждены тесно взаимодействовать друг с другом и образовывать связи. По мнению авторов, именно сильная связь между атомами никеля и помогает возникнуть необычным свойствам материала. Иначе говоря, дело не только в том, что из структуры можно убрать калий, но и в том, как никелевая подсистема реагирует на такую перестройку.

Работа важна еще и по другой причине. Речь идет уже не только о конкретном соединении KxNi4S2, а о более общем принципе поиска новых квантовых материалов. Исследователи теперь лучше понимают, какие структурные особенности приводят к такому поведению и как управляемое удаление атомов может радикально менять электронные свойства кристалла. Следующим шагом команда хочет сделать более общий метод синтеза и найти другие материалы с похожей способностью к переключению. Если такой поиск даст результат, нынешняя работа станет отправной точкой для целого класса соединений, где квантовые состояния можно будет настраивать почти как рабочий режим устройства.