Le transizioni di fase sono state a lungo di importanza cruciale per la ricerca scientifica. Il passaggio dall'acqua al ghiaccio o al vapore è un semplice esempio. Una transizione di fase importante per la ricerca pionieristica di oggi è quella dal metallo all'isolante in materiali denominati "ossidi correlati". Gli scienziati hanno raccolto molte intuizioni su fenomeni come la superconduttività e il magnetismo studiando cosa succede quando un ossido correlato che conduce elettricità con poca o nessuna resistenza (simile al metallo) cambia in uno che non lo fa (isolante) a seguito di variazioni di temperatura, pressione, o altri campi esterni.

In un articolo sulla rivista Natura , Peter Littlewood, ex direttore del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory (2014-2017), ei suoi colleghi propongono il quadro più completo fino ad oggi relativo alla transizione metallo-isolante negli ossidi di metalli di transizione. Questi ossidi correlati hanno affascinato gli scienziati per le loro numerose e attraenti proprietà elettroniche e magnetiche.

"La messa a punto e il controllo di questa transizione metallo-isolante è stata la fonte di una nuova fisica molto eccitante e di applicazioni di materiali promettenti, come la microelettronica a bassa potenza e ultraveloce, " disse Littlewood, attualmente professore di fisica presso il James Franck Institute dell'Università di Chicago con un incarico congiunto nella divisione Scienza dei materiali di Argonne e presidente esecutivo della Faraday Institution.

Insieme a Littlewood in questo progetto di ricerca c'erano Gian Guzmán-Verri e Richard Brierley. Guzmán-Verri ha iniziato la ricerca come postdoc Argonne ed è ora professore presso l'Università del Costa Rica. Brierley ha svolto la ricerca durante gli appuntamenti post-dottorato presso l'Università di Cambridge e la Yale University ed è ora editore presso Nature Communications.

"Il modo in cui gli scienziati in passato hanno tipicamente messo a punto questa transizione metallo-isolante è aggiungendo elettroni, "Ha detto Littlewood. "La ricerca di diversi decenni da parte di altri suggerisce che la regolazione delle dimensioni di uno 'ione vegetale' elettronicamente inattivo ma strutturalmente importante all'interno della struttura cristallina dell'ossido ha anche un forte impatto sulla temperatura di transizione". la ragione di questo effetto non è stata ben compresa.

La dimensione dello ione vegetale elettronicamente inattivo può alterare la temperatura alla quale avviene la transizione metallo-isolante dallo zero assoluto a ben al di sopra della temperatura ambiente. Maggiore è la temperatura di transizione e più vicina alla temperatura ambiente, più il materiale è attraente per le applicazioni pratiche.

La ricerca del team si è concentrata su un'importante classe di ossido di metallo di transizione:le perovskiti. Insieme all'ossigeno, questi ossidi combinano uno ione elettronicamente attivo e lo ione vegetale elettronicamente inattivo. Quest'ultimo ione può essere uno qualsiasi dei tanti elementi delle terre rare o metalli alcalino-terrosi. Come conseguenza, gli scienziati possono scegliere che la sua dimensione atomica sia relativamente piccola o grande senza cambiare la chimica correlata.

Il lato sinistro dell'immagine di accompagnamento mostra la struttura cristallina di base di un ossido di metallo di transizione perovskite. Ogni cella unitaria (diamanti grigi) ha otto lati, con atomi di ossigeno (cerchi rossi) situati ai sei vertici e il metallo di transizione (manganese o nichel) nascosto al centro. I cerchi verdi rappresentano lo ione vegetale, un metallo delle terre rare o alcalino-terroso.

La chiave della scoperta fondamentale degli autori è la determinazione dell'effetto delle dimensioni delle terre rare o dei metalli alcalino-terrosi. Variando la dimensione di questo elemento cambia l'angolo di inclinazione introdotto nelle unità a otto lati, mostrato nella parte destra della figura allegata. A sua volta, l'aumento dell'angolo di inclinazione provoca varie distorsioni e movimenti nelle unità a otto lati, che può allungarsi, restringersi e ruotare a causa di sollecitazioni interne.

"Sono le fluttuazioni dinamiche di questi gradi di libertà elastici che sono responsabili degli effetti termici osservati, che si verificano a temperature molto più basse di quelle considerate nei modelli precedenti basati esclusivamente sullo ione elettronicamente attivo, " disse Littlewood.

In base al meccanismo di cui sopra, il team è stato in grado di costruire una teoria che cattura la relazione tra l'angolo di inclinazione indotto dalla dimensione degli ioni vegetali, la temperatura della transizione metallo-isolante e il grado di disordine nella struttura cristallina della perovskite. Calcoli relativamente semplici con la teoria concordavano bene con i risultati sperimentali dallo zero assoluto a oltre 600 gradi Fahrenheit.

"È importante che il nostro studio teorico si applica non solo a un singolo materiale, ma tutta una classe di materiali, e ha molte possibili applicazioni, compresi alcuni rilevanti per i programmi di ricerca in corso e pianificati ad Argonne, " disse Littlewood.

Nell'area di ricerca emergente della microelettronica di prossima generazione, Per esempio, una migliore sintonizzazione e controllo della transizione metallo-isolante promette un grande balzo in avanti nella microelettronica a bassa potenza e ultraveloce per computer che simulano i processi cerebrali.

Inoltre, gli scienziati del programma di batteria di livello mondiale di Argonne potrebbero essere in grado di utilizzare la teoria come ispirazione per la progettazione di materiali catodici migliori per le batterie agli ioni di litio di prossima generazione. Parte dell'ispirazione per la ricerca del team di Littlewood è stata la ricerca pionieristica di John Goodenough sulla transizione metallo-isolante molti decenni fa. Goodenough ha tradotto quella comprensione nell'ispirazione per inventare la batteria agli ioni di litio, e quest'anno ha vinto il Premio Nobel per la chimica per il suo lavoro.

Il Natura carta di Littlewood, Guzmán-Verri, e Richard Brierley è intitolato "Le fluttuazioni elastiche cooperative forniscono la regolazione della transizione metallo-isolante".