Многие материалы с сильными электронными корреляциями являются неоднородными: в них спонтанно формируются области с совершенно различными свойствами (например, диэлектрические и металлические). Это существенно затрудняет (или даже делает невозможным) определение микроскопических характеристик таких материалов, поскольку результаты измерения содержат информацию, усредненную по всему макроскопическому образцу. Выход напрашивается сам собой: нужно исследовать наноразмерные образцы

Именно так и поступили сотрудники University of Washington, Seattle (США) при изучении перехода металл-диэлектрик в двуокиси ванадия [1]. Используя оптическую микроскопию, они обнаружили, что при нагревании диэлектрического бруска VO₂ до температуры 68^оС в нем возникает металлический домен, который с ростом температуры увеличивается в размерах и при T = 105^оС захватывает весь образец (см. рис.).

Переход нанобруска VO₂ в металлическое состояние при нагревании. 1 – диэлектрический нанобрусок; 2 – металлическая фаза занимает половину образца; 3 – весь наобрусок находится в металлическом состоянии. Нанобрусок имеет длину ~ 100 мкм и прямоугольное поперечное сечение ≈ 15 х 50 нм²

Измеряя удельное электросопротивление ρ различных участков нанобруска, авторы [1] установили, что, во-первых, при T < 68^оС температурная зависимость ρ, как и положено диэлектрику, имеет термоактивированный вид (ширина запрещенной зоны E_g = 0.6 эВ), а во-вторых, в пределах экспериментальной погрешности ρ(T)=const при 68^оС < T < 105^оС (в области сосуществования диэлектрической и металлической фаз), то есть остается неизменной концентрация свободных носителей. Из этого в [1] сделан вывод, что “движущей силой” перехода металл-диэлектрик в VO₂ является локальное отталкивание между электронами, как при моттовском переходе, который происходит, когда экранирование (определяемое концентрацией носителей) достигает определенного уровня (до сей поры в литературе конкурировали два механизма диэлектризации VO₂: моттовский и электрон-решеточный).

Еще один интересный результат был получен при понижении температуры: оказалось, что имеет место эффект сильного “переохлаждения” металлического состояния, и диэлектрическая фаза появляется только при T = 55^оС, то есть на 50^оС ниже температуры ее полного исчезновения при нагревании. Таким образом, исследование нанообразцов помогает не только лучше разобраться в свойствах объемных материалов, но и найти что-то новое. На этом пути нас ждет, наверное, еще немало сюрпризов. Было бы интересно применить подобный подход и к другим сильнокоррелированным системам, например, к высокотемпературным сверхпроводникам.

Л. Опенов

• 1. J.Wei et al., Nature Nanotechnol. 4, 420 (2009)