Используя новейшие методы нанотехнологии, группа под руководством физиков из Университета Райса обнаружила удивительное новое электронное свойство в одном из самых ранних известных и наиболее изученных магнитных минералов на Земле - магнитном руднике, также известном как магнетит.
Изменяя напряжение в своем эксперименте, исследователи смогли превратить магнетит при температурах ниже минус 250 градусов по Фаренгейту из изолятора в проводник.
«Удивительно, что мы все еще можем находить сюрпризы в таком материале, как магнетит, который изучался в течение тысяч лет», - сказал ведущий исследователь Дуг Нателсон, доцент кафедры физики и астрономии.«Такого рода открытие действительно свидетельствует о том, что сейчас возможно, когда мы можем производить электронные устройства для изучения материалов в наномасштабе».
Магнитные свойства магнитного камня, также известного как магнетит, были задокументированы в Китае более 2000 лет назад, а китайские моряки использовали магнитные компасы еще 900 лет назад.
Магнетит - особый минерал оксида железа. Его атомы расположены в кристаллической структуре с четырьмя атомами кислорода на каждые три атома железа, и их расположение придает минералу его характерные магнитные и электрические свойства. Физикам уже более 60 лет известно, что электронные свойства магнетита радикально и быстро изменяются при низких температурах. Когда материал охлаждается ниже критической температуры около минус 250 градусов по Фаренгейту, он превращается из электрического проводника в электрический изолятор - электрическое преобразование, подобное физическому изменению воды, когда она замерзает в лед.
«Когда мы приложили достаточно большое напряжение к нашим наноструктурам, мы обнаружили, что можем выбить охлажденный магнетит из его изолирующей фазы и заставить его снова стать проводником», - сказал Нательсон. «Переход очень резкий, и когда напряжение снова снижается ниже нижнего критического значения, магнетит возвращается в свою изолирующую фазу. Мы точно не знаем, почему происходит это переключение, но мы думаем, что дальнейшие эксперименты прольют свет на это. и характер изолирующего состояния».
С инженерами, стремящимися использовать новые электронные материалы для компьютеров и жестких дисков следующего поколения, фазовые переходы между изолирующим и проводящим состояниями становятся все более горячей темой исследований в физике и материаловедении в последние годы.
Споры о причинах и особенностях фазового перехода магнетита, вызванного изменением температуры, продолжаются гораздо дольше. Нательсон сказал, что физики уже давно спорят о возможных физических и электронных причинах фазового перехода. По его словам, открытие этого нового переключения, управляемого напряжением, дает новые подсказки, но необходимы дополнительные исследования.
«Обнаруженный нами эффект, вероятно, не был замечен в прошлом, потому что нанотехнологии только сейчас позволяют изготавливать электроды, наночастицы и тонкие пленки, необходимые для исследования, с точностью, необходимой для документирования эффекта», - он сказал.
Команда Нательсона экспериментировала с двумя видами магнетита. Один, называемый наноржавчиной, состоит из крошечных частиц магнетита, разработанных в лаборатории химика Райса Вики Колвин, директора Центра биологических и экологических нанотехнологий Райса. Вторые, тонкие пленки монокристаллического магнетита, были изготовлены исследовательской группой Игоря Швеца в Тринити-колледже Дублинского университета. По словам Нательсона, эти высококачественные материалы с точным составом были необходимы для исследования.
Исследование было опубликовано в Интернете 16 декабря и будет включено в февральское печатное издание Nature Materials. Исследование финансировалось Министерством энергетики.