Учёные из Института кристаллографии РАН и Института ядерных исследований РАН (оба — Россия) при финансовой поддержке Института Карнеги (США) впервые обнаружили условия, при которых оксид никеля переходит в остояние электропроводящего металла.

Зафиксировать появление металлических свойств у оксида удалось в условиях невероятно высокого давления, которое почти в 2,5 млн раз превысило атмосферное (240 ГПа). Отчёт об открытии опубликован в журнале Physical Review Letters.

Рис. 1. Алмазные тиски с зажатым в них образцом (фото Steve Jacobsen / Northwestern University).

Физики прошлого неоднократно предсказывали для оксида никеля возможность перехода от состояния изолятора к проводнику металлического типа, но это никак не находило практического подтверждения. Ну а сама наука рассматривала важность достижения этого результата примерно на уровне открытия металлической проводимости водорода.

Напомним, что в случае простых веществ химическое поведение и электрическая проводимость определяются только природой валентных электронов. Металлы в основном обладают одним или тремя валентными электронами, в то время как у неметаллов их 5–7 на внешнем электронном уровне (это, конечно, очень примитивное описание, которое подходит для элементов первых двух периодов, для всех щелочных и щёлочноземельных металлов, а также для галогенов и халькогенов, а с остальными, в число которых попадает и сам никель, так просто не получится). Металлы — прекрасные проводники электрического тока, поскольку их валентные электроны легко расстаются с ядром, образуя так называемый свободный электронный газ.

Оксид никеля — типичный оксид переходного металла, который, несмотря на наличие лишь частично заполненного внешнего электронного уровня, всё равно остаётся изолятором.

Авторы работы поместили очень тонкие кристаллики (не более микрона в толщину) в специально сконструированные алмазные тиски, проводя измерение сопротивления с помощью четырёх сверхтонких кусочков свинцовой фольги.

Согласно наблюдениям, измеряемое падение сопротивления впервые было зафиксировано при давлении около 1,3 млн атмосфер (130 ГПа). Однако при достижении уровня в 2,4 млн произошёл скачок проводимости на три порядка величины, который и возвестил миру о переходе из полупроводящего (к тому моменту уже полупроводящего) состояния в металлическое.

Причём металлическая часть материала существовала только в регионе максимальной компрессии, а не во всем объёме.

Достижение рассматривается научным миром как весомый вклад в науку о конденсированных состояниях вещества.

Полученные результаты не только доказывают работоспособность теоретической концепции, но и послужат для её дальнейшего улучшения, с тем чтобы в будущем иметь возможность более точно предсказывать свойства новых материалов и предлагать рациональные способы их получения.