Напівметали – високі провідники
Напівметали Вейля – це новий тип матеріалу між провідниками і ізоляторами. Нова робота UC Davis і китайських дослідників показує, що двовимірні наноленти арсеніду ніобію можуть демонструвати дуже високу провідність. Зліва – трансмісійна ЕМ нанобельтов з арсеніду ніобію, виготовлених в лабораторії; праве зображення – скануючий ЕМ з великим збільшенням, що показує правильну структуру поверхні. Електричний струм може текти легко через квантових властивостей наноматериал. Кредит: Сергій Саврасов, UC Davis
Дослідники з Китаю і Каліфорнійського університету в Девісі виміряли високу провідність в дуже тонких шарах арсеніду ніобію, матеріалу, званого напівметал Вейля. Матеріал має приблизно в три рази більшу провідність міді при кімнатній температурі, говорить Сергій Саврасов, професор фізики в Каліфорнійському університеті в Девісі. Саврасов є співавтором статті, опублікованій 18 березня в журналі Nature Materials.
Нові матеріали, які проводять електрику, становлять великий інтерес для фізиків і матеріалознавців, як для фундаментальних досліджень, так і тому, що вони можуть привести до появи нових типів електронних пристроїв.
Саврасов працює з теоретичної фізики конденсованих середовищ. Разом з іншими він запропонував існування напівметалу Вейля в 2011 році. Китайська команда змогла виготовити і випробувати маленькі шматочки, звані наноленти, з арсеніду ніобію, підтверджуючи передбачення теорії. Наноленти настільки тонкі, що по суті вони двовимірні.
«Напівметал Вейля – це не провідник або ізолятор, а щось середнє», – сказав Саврасов. Арсенід ніобію, наприклад, є поганим провідником в обсязі, але має металеву поверхню, яка проводить електрику. Поверхня захищена топологічно, що означає, що її не можна змінити, не зруйнувавши сипучий матеріал.
З більшістю матеріалів поверхні можуть бути хімічно змінені, оскільки вони поглинають домішки з навколишнього середовища. Ці домішки можуть заважати провідності. Але топологічно захищені поверхні відкидають ці домішки.
«Теоретично ми очікуємо, що поверхні Вейля будуть хорошими провідниками, оскільки вони не переносять домішок», – сказав Саврасов.
Якщо ви думаєте про електронах, що протікають через матеріал, уявіть, що вони відскакують або розсіюються від домішок. На квантовому рівні проводить матеріал має поверхню Фермі, яка описує всі квантові енергетичні стану, які можуть займати електрони. Ця поверхня Фермі впливає на провідність матеріалу.
Наноленти, випробувані в цих експериментах, мали обмежену поверхню Фермі або фермі-дугу, що означало, що електрони могли розсіюватися тільки в обмеженому діапазоні квантових станів.
«Фермі-дуга обмежує стану, до яких можуть приходити електрони, тому вони не розсіюються», – сказав Саврасов.
Матеріали, що володіють високою провідністю в дуже малих масштабах, можуть бути корисні, оскільки інженери прагнуть створювати все менші і менші схеми. Менший електричний опір означає, що при проходженні струму генерується менше тепла.
Джерело інформації: https://phys.org/news/2019-03-semimetals-high-conductors.html#jCp
Тімеркаев Борис – 68-річний доктор фізико-математичних наук, професор з Росії. Він є завідувачем кафедри загальної фізики в Казанському національному дослідницькому технічному університеті імені А. Н. Туполєва – КАИ