Poiché un composto di solfuro di manganese viene compresso in una cella di incudine di diamante, subisce transizioni drammatiche. In questa illustrazione, l'interazione tra gli ioni atomici manganese (Mn) (cerchi viola) e disulfur (S 2 ) gli ioni molecolari (figura 8s) aumentano da sinistra a destra finché la sovrapposizione è abbastanza significativa da rendere metallico il sistema. Credito:Dean Smith, Argonne National Lab
Cose notevoli accadono quando un composto "soffice" di manganese e solfuro (MnS 2 ) è compresso in un'incudine diamantata, dicono i ricercatori dell'Università di Rochester e dell'Università del Nevada, Las Vegas (UNLV).
"Questo è un nuovo tipo di meccanismo di trasferimento di carica, e quindi dal punto di vista della comunità scientifica questo è molto, molto eccitante. Stiamo mostrando notevoli trasformazioni fisiche in un gamma molto breve di parametri, in questo caso pressione, "dice Ashkan Salamat, professore associato di fisica presso UNLV.
Per esempio, all'aumentare della pressione, MnS 2 , un morbido isolante, passa in uno stato metallico e poi di nuovo in un isolante, i ricercatori descrivono in un articolo contrassegnato come scelta dell'editore in Lettere di revisione fisica .
"I metalli di solito rimangono metalli; è altamente improbabile che possano poi essere cambiati di nuovo in un isolante, "dice Ranga Dias, assistente professore di ingegneria meccanica e di fisica e astronomia a Rochester. "Il fatto che questo materiale passi da un isolante a un metallo e di nuovo a un isolante è molto raro".
Inoltre, le transizioni sono accompagnate da diminuzioni senza precedenti della resistenza e del volume attraverso un intervallo estremamente ristretto di variazioni di pressione, che si verificano tutte a circa 80 gradi Fahrenheit. La temperatura relativamente bassa aumenta le possibilità che il processo di transizione dei metalli possa essere sfruttato per la tecnologia, dice Salamat.
Nei precedenti articoli in Natura e Lettere di revisione fisica , la collaborazione Dias e Salamat ha stabilito nuovi parametri di riferimento per raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente. Un denominatore comune del loro lavoro è esplorare i modi "notevolmente bizzarri" in cui i metalli di transizione e altri materiali si comportano quando sono accoppiati con solfuri, e poi compresso in un'incudine a cellule di diamante.
"Il nuovo fenomeno che stiamo segnalando è un esempio fondamentale di risposte ad alta pressione e troverà posto nei libri di testo di fisica, " Salamat dice. "C'è qualcosa di molto intrigante su come si comporta lo zolfo quando è attaccato ad altri elementi. Questo ha portato ad alcune scoperte straordinarie".
Le scoperte ottenute dai laboratori Dias e Salamat hanno comportato la compressione di semplici picolitri di materiale, circa le dimensioni di una singola particella a getto d'inchiostro.
Spin e pressione sono alla base della drammatica transizione del metallo
Alla base delle transizioni descritte in questo articolo c'è il modo in cui gli stati di spin (momento angolare) dei singoli elettroni interagiscono quando viene applicata la pressione, Dias e Salamat spiegano.
Possono accadere cose bizzarre quando i metalli di transizione e altri materiali vengono compressi in un'incudine di diamante. Qui, Ranga Dias contiene un array contenente celle di incudine di diamante. Credito:foto dell'Università di Rochester / J. Adam Fenster
Quando MnS 2 è nel suo normale stato di isolamento, gli elettroni sono principalmente spaiati, orbitali ad "alto spin", facendo rimbalzare attivamente gli atomi avanti e indietro. Ciò fa sì che il materiale abbia una maggiore resistenza a una carica elettrica perché c'è meno spazio libero per i singoli elettroni che cercano di passare attraverso il materiale.
Ma quando viene applicata la pressione - e il materiale viene compresso verso uno stato metallico - gli orbitali elettronici "iniziano a vedersi l'un l'altro, venire subito l'uno verso l'altro, e coppie di elettroni iniziano a legarsi come uno, "dice Salamat.
Questo apre più spazio ai singoli elettroni per muoversi attraverso il materiale, tanto che la resistenza diminuisce drasticamente di 8 ordini di grandezza, all'aumentare della pressione da 3 gigapascal (435, 000 psi) a 10 gigapascal. Questa è una "spinta" relativa rispetto ai 182-268 gigapascal richiesti per i materiali superconduttori.
"Data la piccola gamma di pressione coinvolta, un calo di resistenza di questa portata è davvero enorme, "dice Dias.
La bassa resistenza viene mantenuta anche nella fase finale, quando il MnS 2 ritorna a un isolante, perché gli elettroni rimangono in uno stato di "basso spin".
Scienza dei materiali di base, futuri progressi tecnologici
Come spesso accade con le nuove scoperte nella scienza di base, le possibili applicazioni sono ancora da esplorare.
Però, Salamat dice, un metallo di transizione che, con una quantità relativamente piccola di sforzo, può saltare da uno stato all'altro, a temperatura ambiente, niente di meno, è probabile che sia utile.
"Potresti immaginare di avere un interruttore logico o di scrivere su hard disk, dove un molto, una permutazione molto piccola in tensione o tensione potrebbe far saltare qualcosa da uno stato elettronico a un altro. Nuove versioni di memoria flash, o memoria a stato solido, potrebbe permutare e assumere un nuovo approccio utilizzando questi tipi di materiali, "dice Salamat.
"Puoi fare manovre piuttosto aggressive per guidare questi materiali a 300 kelvin, rendendoli potenzialmente utili per la tecnologia."
L'autore principale Dylan Durkee, un ex ricercatore universitario nel laboratorio Salamat, ora sta lavorando come studente laureato con Dias. Altri coautori includono Nathan Dasenbrock-Gammon e Elliot Snider a Rochester; Keith Lawler, Alessandro Smith, e Christian Childs all'UNLV; Dean Smith all'Argonne National Laboratory, e Simon A.J. Kinder presso l'Università della Borgogna.
