En och samma material med fyra egenskaper: supraledare, metall, halvledare och isolator

Forskare har nyligen visat att ett och samma material – särskilt det tvådimensionella materialet molybdendisulfid (MoS₂) – kan manipuleras till att uppvisa fyra fundamentalt olika elektroniska beteenden: supraledare, metall, halvledare och isolator1 2.

Hur är detta möjligt?

Genom att använda en specialdesignad fälteffekttransistor kan forskare styra mängden kaliumjoner som interkaleras (infogas) mellan lagren i MoS₂. Beroende på hur många joner som införs och vid vilken temperatur, kan materialets fas och därmed dess elektriska egenskaper förändras dramatiskt2:

Halvledare: Den naturliga 2H-fasen av MoS₂ är en halvledare, vilket innebär att den har en bandgap och kan användas i elektronik där man vill styra strömmen.
Metall: När tillräckligt många kaliumjoner införs, sker en fasövergång till den så kallade 1T-fasen, som är metallisk och leder ström utan bandgap.
Supraledare: Om man inför exakt rätt mängd kaliumjoner och kyler materialet till mycket låga temperaturer (runt –268 °C), blir 1T-fasen supraledande, vilket innebär att den leder ström helt utan motstånd2.
Isolator: Om kaliumjonerna får diffundera ut ur 1T-fasen och materialet kyls till –193 °C, blir det istället en isolator där elektroner inte kan röra sig fritt2.

Fysiken bakom fasövergångarna

De olika tillstånden uppstår genom abrupta fasövergångar, där materialets struktur och elektroniska bandstruktur förändras. Detta är ett exempel på en så kallad första ordningens fasövergång, där egenskaperna ändras plötsligt vid vissa kritiska parametrar (t.ex. tryck, temperatur eller joninnehåll)3 5.

Betydelse och tillämpningar

Att kunna styra ett materials egenskaper mellan isolator, halvledare, metall och supraledare i en och samma komponent öppnar för helt nya möjligheter inom elektronik, kvantdatorer och sensorer. Det blir möjligt att skapa multifunktionella material och komponenter där man dynamiskt kan växla mellan olika funktioner1 2.

”The variety of electronic properties based on a single material is highly intriguing to us from a materials science perspective.”

Yoshihiro Iwasa, RIKEN Center for Emergent Matter Science2

Sammanfattning i tabellform

Egenskap	Fas i MoS₂	Metod för att uppnå	Temperatur
Isolator	1T (låg K-halt)	Uttag av K-joner	ca –193 °C
Halvledare	2H (naturlig)	Ingen/standard	Rumstemperatur
Metall	1T (hög K-halt)	Införsel av K-joner	Rumstemperatur
Supraledare	1T (optimal K-halt)	Införsel av K-joner	ca –268 °C

Slutsats

Genom att manipulera joninnehåll och temperatur kan man alltså styra ett tvådimensionellt materials elektroniska egenskaper över hela spektrumet från isolator till supraledare. Detta visar på den enorma potentialen hos moderna materialvetenskapliga metoder och öppnar för framtidens flexibla elektronik och kvantteknologi1 2.