Все прекрасно знают, что бетон представляет собой тяжелый, прочный и надежный изолирующий материал. Однако исследователи из Японии продемонстрировали, что легирование жидкого цемента свободными электронами позволяет добиться от этого материала проводимости, сравнимой с проводимостью металла.

Исследователи предполагают, что удивительное превращение может оказаться полезным для разработки полупроводников нового типа.

Еще с прошлого века было известно, что свободные электроны могут быть поглощены полярными растворителями, например, водой и жидким аммиаком. Например, если растворять щелочные металлы в жидком аммиаке, валентные электроны щелочного металла переходят в раствор, образуя раствор с интенсивно синей окраской в разбавленном состоянии или раствор бронзового цвета – для насыщенного раствора. Такие «сольватированные» электроны отличаются относительной стабильностью, поскольку каждый электрон оказывается в клетке из молекул аммиака.

При растворении щелочного металла в жидком аммиаке образуются сольватированные электроны. (Рисунок из Science, 2011, 333, 71, DOI: 10.1126/science.1204394)

Хидео Хосоно (Hideo Hosono) с коллегами из Технологического института Токио продемонстрировал, что за счет аналогичного эффекта можно превратить майенит (12CaO˙7Al2O3) – компонент алюминийоксидного цемента из изолятора в проводник с электронной проводимостью. Исследователям удалось настолкьо кардинально изменить свойства материала, восстанавливая майенит титаном при высоких температурах. В результате восстановления происходит частичная замена оксидных ионов в кристаллической решетке майенита на сольватированные электроны, которые оказываются стабилизированными клеткой окружающих атомов.

После восстановления майенит, содержащий сольватированные электроны, теряет прозрачность и превращается из бесцветного в темно-коричневый; в расплаве такой восстановленный майенит проявляет электронную проводимость, величина которой на пять порядков выше обычного. В стеклообразном состоянии электропроводность восстановленного майенита ниже, однако, остается на уровне электропроводностов полупроводников. Хосоно считает, что в последнем случае сольватированные электроны спариваются за счет коррелирующего спинового состояния.

Джеймс Дай (James Dye), специалист по сольватированным электронам из Университета Мичигана, давно наблюдающий за работой группы Хосоно, заявляет, что результаты работы являются логическим продолжением исследований в этой области – еще в 2003 году исследователи впервые сообщили о возможности легирования майенита электронами. По его словам, наглядная демонстрация металлических свойств и спаривания электронов уникальна и открывает возможности для новых исследований в области взаимодействий электрон-электрон и электронно-парной проводимости.