Faseovergangen zijn lange tijd van cruciaal belang geweest voor wetenschappelijk onderzoek. De overgang van water naar ijs of stoom is een eenvoudig voorbeeld. Een faseovergang die belangrijk is voor baanbrekend onderzoek vandaag de dag is die van metaal naar isolator in materialen die 'gecorreleerde oxiden' worden genoemd. Wetenschappers hebben veel inzicht gekregen in fenomenen als supergeleiding en magnetisme door te bestuderen wat er gebeurt als een gecorreleerd oxide dat elektriciteit geleidt met weinig of geen weerstand (metaalachtig) verandert in een oxide dat dat niet doet (isolator) als gevolg van temperatuurveranderingen, druk, of andere externe velden.

In een paper in het journaal Natuur , Peter Littlewood, voormalig directeur van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) (2014-2017), en zijn collega's stellen het meest complete beeld tot nu toe voor met betrekking tot de metaal-isolatorovergang in overgangsmetaaloxiden. Deze gecorreleerde oxiden hebben wetenschappers gefascineerd vanwege hun vele aantrekkelijke elektronische en magnetische eigenschappen.

"Afstemming en controle van deze metaal-isolatorovergang is de bron geweest van veel opwindende nieuwe fysica en veelbelovende materiaaltoepassingen, zoals energiezuinige en ultrasnelle micro-elektronica, " zei Littlewood, momenteel hoogleraar natuurkunde aan het James Franck Institute van de Universiteit van Chicago met een gezamenlijke aanstelling in de Materials Science-divisie van Argonne en uitvoerend voorzitter van de Faraday Institution.

Bij Littlewood in dit onderzoeksproject waren Gian Guzmán-Verri en Richard Brierley. Guzmán-Verri begon het onderzoek als postdoc in Argonne en is nu professor aan de Universiteit van Costa Rica. Brierley deed het onderzoek tijdens postdoctorale aanstellingen aan de University of Cambridge en Yale University en is nu redacteur bij Nature Communications.

"De manier waarop wetenschappers in het verleden deze overgang van metaal naar isolator hebben afgestemd, is door elektronen toe te voegen, " zei Littlewood. "Onderzoek van anderen gedurende meerdere decennia suggereert dat het aanpassen van de grootte van een elektronisch inactief maar structureel belangrijk 'plantaardig ion' in de kristalstructuur van het oxide ook een sterke invloed heeft op de overgangstemperatuur." de reden voor dit effect is niet goed begrepen.

De grootte van het elektronisch inactieve plantaardige ion kan de temperatuur waarbij de overgang van metaal naar isolator plaatsvindt, veranderen van het absolute nulpunt tot ruim boven kamertemperatuur. Hoe hoger de overgangstemperatuur en dichter bij kamertemperatuur, hoe aantrekkelijker het materiaal is voor praktische toepassingen.

Het onderzoek van het team was gericht op een belangrijke klasse van overgangsmetaaloxide:de perovskieten. Samen met zuurstof, deze oxiden combineren een elektronisch actief ion en het elektronisch inactieve plantaardige ion. Het laatste ion kan een van de vele zeldzame aardelementen of aardalkalimetalen zijn. Als gevolg hiervan, wetenschappers kunnen de atoomgrootte kiezen om relatief klein of groot te zijn zonder de verwante chemie te veranderen.

De linkerkant van de begeleidende afbeelding toont de basiskristalstructuur van een perovskiet-overgangsmetaaloxide. Elke eenheidscel (grijze diamanten) heeft acht zijden, met zuurstofatomen (rode cirkels) aan de zes toppen en het overgangsmetaal (mangaan of nikkel) verborgen in het midden. De groene cirkels vertegenwoordigen het plantaardige ion, ofwel een zeldzaam aardmetaal of een aardalkalimetaal.

De sleutel tot de cruciale ontdekking van de auteurs is de bepaling van het effect van de grootte van het zeldzame aarde- of aardalkalimetaal. Door de grootte van dit element te variëren, verandert de kantelhoek die in de achtzijdige eenheden wordt geïntroduceerd, weergegeven aan de rechterkant van de bijgevoegde afbeelding. Beurtelings, het vergroten van de kantelhoek resulteert in verschillende vervormingen en bewegingen in de achtzijdige eenheden, die kan rekken, krimpen en roteren als gevolg van interne spanningen.

"Het zijn de dynamische fluctuaties van deze elastische vrijheidsgraden die verantwoordelijk zijn voor de waargenomen thermische effecten, die optreden bij temperaturen die veel lager zijn dan in eerdere modellen, puur gebaseerd op het elektronisch actieve ion, ' zei Littlewood.

Op basis van bovenstaand mechanisme, het team was in staat om een ​​theorie te construeren die de relatie vastlegt tussen de kantelhoek die wordt veroorzaakt door de grootte van de plantaardige ionen, de temperatuur van de metaal-isolator overgang en de mate van wanorde in de perovskiet kristalstructuur. Relatief eenvoudige berekeningen met de theorie kwamen goed overeen met experimentele resultaten van het absolute nulpunt tot boven de 600 graden Fahrenheit.

"Belangrijk, onze theoretische studie is niet alleen van toepassing op een enkel materiaal, maar een hele klasse van materialen, en heeft vele mogelijke toepassingen, waaronder enkele die relevant zijn voor lopende en geplande onderzoeksprogramma's in Argonne, ' zei Littlewood.

In het opkomende onderzoeksgebied van de volgende generatie micro-elektronica, bijvoorbeeld, verbeterde afstemming en controle van de metaal-isolatorovergang belooft een grote sprong voorwaarts in low-power en ultrasnelle micro-elektronica voor computers die hersenprocessen simuleren.

In aanvulling, wetenschappers in het batterijprogramma van wereldklasse van Argonne kunnen de theorie misschien gebruiken als inspiratie voor het ontwerpen van betere kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen van de volgende generatie. Een deel van de inspiratie voor het onderzoek door het team van Littlewood was het baanbrekende onderzoek van John Goodenough, vele decennia geleden naar de overgang van metaal naar isolator. Goodenough vertaalde dat begrip naar de inspiratie om de Li-ion batterij uit te vinden, en won dit jaar de Nobelprijs voor scheikunde voor zijn werk.

De Natuur papier van Littlewood, Guzmán-Verri, en Richard Brierley is getiteld "Coöperatieve elastische fluctuaties zorgen voor afstemming van de metaal-isolatorovergang."