Алмаз, самый твердый из природных минералов, отлично проводит тепло, но не электричество. Специалисты из США нашли способ постепенно изменить электронные свойства крошечных алмазных игл, чтобы они стали сначала полупроводящими, а затем и проводящими, как металл. Эти свойства можно индуцировать динамически и, по желанию, отключать без деградации материала.

Команда ученых из MIT использовала квантово-механические вычисления, анализ механической деформации и машинное обучение для того, чтобы продемонстрировать феномен, возможность которого долгое время существовала только в теории.

Идея деформации полупроводящего материала, например, кремния, для улучшения его производительности, нашла применение в микроэлектронике более 20 лет назад. Однако, этот подход влечет за собой небольшую деформацию примерно на уровне 1%. Профессор Ли Цзюй и его коллеги много лет изучают концепцию упругой деформации, основанную на способности вызывать значительные изменения в электрических, оптических, тепловых и прочих свойствах материалов, просто меняя их форму, пишет MIT News.

В 2018 они показали, что нанометровые алмазные иглы могут гнуться, не ломаясь, при комнатной температуре. Они доводили деформацию растяжения до 10%, после чего иглы возвращались к первоначальной форме.

Ключевым понятием тут является энергетическая щель, которая определяет, насколько легко электроны могут двигаться через материал. Обычно у алмазов она очень широкая — 5,6 электрон-вольт. Это значит, что алмазы — хороший изолятор.

Новейшие эксперименты команды профессора Ли показали, что энергетическую щель алмаза можно постепенно, непрерывно и обратимо менять, наделяя материал различными свойствами, от изолятора до полупроводника и металла.

«Мы обнаружили, что можно сократить энергетическую щель с 5,6 электрон-вольт до нуля, — сказал Ли. — Смысл этого в том, что если ты можешь непрерывно менять его с 5,6 электрон-вольт до нуля, то охватываешь весь диапазон энергетической щели. Посредством упругой деформации можно сделать так, что у алмаза будет энергетическая щель кремния, распространенного полупроводника, или нитрида галлия, который используется для светодиодов. Из него даже можно сделать инфракрасный детектор или детектор всего светового спектра, от инфракрасного до ультрафиолетового».