Помимо улучшения термоэлектрических свойств материала, исследователи обнаружили, что термоэлектрические свойства материала возникают из-за перехода в топологии электронной зонной структуры, который называется переходом Лифшица. Этот переход отличается от обычного фазового перехода типа Ландау тем, что он происходит без нарушения симметрии. У исследователей уже давно были основания полагать, что переход Лифшица играет решающую роль во многих квантовых явлениях, таких как сверхпроводимость, сложный магнетизм и термоэлектрические свойства, но им не хватало прямых доказательств.
В этом новом исследовании исследователи Университета Осаки показали прямую связь между переходом Лифшица и физическими свойствами термоэлектрического материала. «Мы смогли отследить переход Лифшица, приложив давление и измерив квантовые колебания по мере увеличения давления», – говорит автор-корреспондент Хидеаки Сакаи.
Исследователи изучили селенид олова (SnSe), термоэлектрический материал, который также является полупроводником с небольшим количеством проводящих носителей. В полупроводниках валентная зона с более низкой энергией заполнена электронами, тогда как зона проводимости с более высокой энергией их не содержит; после введения некоторых примесей и / или химических дефектов проводящие носители вводятся в виде электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне соответственно, и полупроводник будет вести себя как проводник.
Помимо влияния на свойства электропроводности материала, зонная структура также влияет на квантовые явления, такие как их термоэлектрические способности. Валентные зоны селенида олова не совсем плоские, но обычно имеют в себе две впадины.
«Когда мы увеличили давление на материал, мы наблюдали изменение с двух до четырех впадин в материале, когда произошел переход Лифшица», – говорит Хидеаки Сакаи. Исследователи смогли экспериментально и теоретически показать, что это изменение количества долин непосредственно отвечает за значительное улучшение термоэлектрических свойств селенида олова.
Результаты исследования могут помочь в подготовке улучшенных термоэлектрических материалов в будущем, а также могут помочь прояснить влияние перехода Лифшица на различные транспортные свойства, что приведет к потенциальным приложениям, таким как новая электроника, использующая долинные степени свободы в зонной структуре.