Er gebeuren opmerkelijke dingen wanneer een "squishy" verbinding van mangaan en sulfide (MnS ₂ ) is samengeperst in een diamanten aambeeld, zeggen onderzoekers van de Universiteit van Rochester en de Universiteit van Nevada, Las Vegas (UNLV).

"Dit is een nieuw type ladingoverdrachtmechanisme, en dus vanuit het oogpunt van de wetenschappelijke gemeenschap is dit zeer, erg opwindend. We laten opmerkelijke fysieke transformaties zien over een zeer, zeer korte reeks parameters, in dit geval druk, " zegt Ashkan Salamat, universitair hoofddocent natuurkunde aan de UNLV.

Bijvoorbeeld, naarmate de druk toeneemt, MnS ₂ , een zachte isolator, gaat over in een metallische toestand en vervolgens weer in een isolator, beschrijven de onderzoekers in een paper dat is gemarkeerd als de keuze van een redacteur in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Metalen blijven meestal metalen; het is hoogst onwaarschijnlijk dat ze dan weer kunnen worden veranderd in een isolator, " zegt Ranga Dias, assistent-professor werktuigbouwkunde en natuurkunde en sterrenkunde in Rochester. "Het feit dat dit materiaal van een isolator naar een metaal en terug naar een isolator gaat, is zeer zeldzaam."

Bovendien, de overgangen gaan gepaard met ongekende dalingen in weerstand en volume over een extreem smal bereik van drukveranderingen - allemaal optredend bij ongeveer 80 graden Fahrenheit. De relatief lage temperatuur vergroot de kans dat het metaaltransitieproces uiteindelijk kan worden ingezet voor technologie, zegt Salamat.

In eerdere kranten in Natuur en Fysieke beoordelingsbrieven , de samenwerking tussen Dias en Salamat heeft nieuwe maatstaven gezet voor het bereiken van supergeleiding bij kamertemperatuur. Een gemeenschappelijke noemer van hun werk is het onderzoeken van de "opmerkelijk bizarre" manieren waarop overgangsmetalen en andere materialen zich gedragen wanneer ze worden gecombineerd met sulfiden, en vervolgens samengeperst in een aambeeld van een diamantcel.

"De nieuwe fenomenen die we rapporteren, zijn een fundamenteel voorbeeld van reacties onder hoge druk - en zullen een plaats krijgen in natuurkundeboeken, " Zegt Salamat. "Er is iets heel intrigerends aan hoe zwavel zich gedraagt ​​als het aan andere elementen wordt gehecht. Dit heeft geleid tot een aantal opmerkelijke doorbraken."

De doorbraken die door de Dias- en Salamat-labs zijn bereikt, hebben betrekking op het comprimeren van louter picoliters van materiaal - ongeveer de grootte van een enkel inkjetdeeltje.

Spin en druk liggen ten grondslag aan dramatische metaaltransitie

De overgangen die in dit artikel worden beschreven, liggen ten grondslag aan de manier waarop de spintoestanden (impulsmoment) van individuele elektronen op elkaar inwerken als er druk wordt uitgeoefend, Dias en Salamat leggen het uit.

Wanneer MnS ₂ zich in zijn normale isolatortoestand bevindt, elektronen zijn voornamelijk in ongepaarde, "hoge spin" orbitalen, waardoor atomen actief heen en weer stuiteren. Dit resulteert erin dat het materiaal een hogere weerstand heeft tegen een elektrische lading omdat er minder vrije ruimte is voor individuele elektronen die door het materiaal proberen te gaan.

Maar naarmate er druk wordt uitgeoefend - en het materiaal wordt samengedrukt in de richting van een metallische toestand - "beginnen de elektronenorbitalen elkaar te zien, komen onmiddellijk naar elkaar toe, en elektronenparen beginnen zich te verbinden als één, ' zegt Salamat.

Dit opent meer ruimte voor individuele elektronen om door het materiaal te bewegen - zozeer zelfs dat de weerstand dramatisch daalt met 8 orden van grootte, als de druk wordt verhoogd van 3 gigapascal (435, 000 psi) tot 10 gigapascal. Dit is een relatief "nudge" vergeleken met de 182 tot 268 gigapascal die nodig is voor supergeleidende materialen.

"Gezien het kleine drukbereik, een weerstandsdaling van deze omvang is echt enorm, ' zegt Dias.

Zelfs in de laatste fase, wanneer de MnS ₂ keert terug naar een isolator - omdat de elektronen in een "lage spin"-toestand blijven.

Basis materiaalkunde, toekomstige technologische vooruitgang

Zoals vaak gebeurt bij nieuwe ontdekkingen in de basiswetenschap, de mogelijke toepassingen moeten nog worden onderzocht.

Echter, Salamat zegt, een overgangsmetaal dat met een relatief kleine belasting, kan van de ene toestand naar de andere springen - bij kamertemperatuur, niet minder - zal waarschijnlijk nuttig zijn.

"Je kunt je voorstellen dat je een logische schakelaar hebt of een harde schijf schrijft, waar een zeer, een zeer kleine permutatie in spanning of spanning kan ervoor zorgen dat iets van de ene elektronische toestand naar de andere springt. Nieuwe versies van flash-geheugen, of solid-state geheugen, zou kunnen permuteren en een nieuwe benadering aannemen met behulp van dit soort materialen, ' zegt Salamat.

"Je kunt behoorlijk agressieve manoeuvres uitvoeren om deze materialen met 300 kelvin te laten rijden, waardoor ze potentieel nuttig zijn voor technologie."

Hoofdauteur Dylan Durkee, een voormalig niet-gegradueerde onderzoeker in het Salamat-lab, werkt nu als afstudeerder bij Dias. Andere co-auteurs zijn Nathan Dasenbrock-Gammon en Elliot Snider in Rochester; Keith Lawler, Alexander Smit, en Christian Childs bij UNLV; Dean Smith van het Argonne National Laboratory, en Simon A.J. Kinder aan de Universiteit van Bourgogne.