Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же. Покачивание автобуса и толкотня пассажиров — части единого механизма.
Авторы взяли математическую модель, где ионы и атомы решётки взаимодействуют, и исключили из неё быстрое движение самих атомов. Получилась поправка к энергии, зависящая от того, как силы между ионами проецируются на жёсткость решётки. В упрощённом виде эта поправка распадается на две части: локальное «прилипание» иона к месту и нелокальное влияние одних ионов на другие через деформацию всей решётки. Вместе они перекраивают энергетический ландшафт — как если бы карта высот для пассажиров вдруг изменилась из-за того, что пол автобуса слегка прогнулся.
Расчёты для двух реальных материалов — кубического литий-лантан-циркониевого оксида (Li7La3Zr2O12) и селенида серебра-хрома (AgCrSe2) — подтвердили картину. В обоих случаях учтённая поправка снизила энергетические барьеры и заставила ионы двигаться более согласованно, группами. Оказалось, что мягкость, беспорядок и коллективное движение — не разные явления, а три проекции одного и того же перестроенного ландшафта.
Такой единый взгляд меняет подход к поиску новых проводников. Вместо того чтобы отдельно подбирать мягкий материал и отдельно — подходящий беспорядок, можно искать вещества, где сама кристаллическая структура естественно создаёт оба эффекта. Это как проектировать автобус, в котором пол специально слегка пружинит, помогая пассажирам быстрее выходить.
В кубическом Li7La3Zr2O12 ионы лития могут прыгать между соседними позициями с частотой до миллиарда раз в секунду при комнатной температуре — примерно как крылья комара в полёте.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетяне используют твёрдые сверхпроводники с перестраиваемой внутренней структурой — почти как описанные здесь материалы с «перекроенным» энергетическим ландшафтом.