Under pres, squishy forbindelse reagerer på bemærkelsesværdige måder

Bemærkelsesværdige ting sker, når en "squishy" forbindelse af mangan og sulfid (MnS ₂ ) er komprimeret i en diamantambolt, siger forskere fra University of Rochester og University of Nevada, Las Vegas (UNLV).

"Dette er en ny type afgiftsoverførselsmekanisme, og så fra et videnskabssamfunds synspunkt er dette meget, meget spændende. Vi viser bemærkelsesværdige fysiske transformationer over en meget, meget kort række parametre, i dette tilfælde pres, " siger Ashkan Salamat, lektor i fysik ved UNLV.

For eksempel, når trykket stiger, MnS ₂ , en blød isolator, går over i en metallisk tilstand og derefter til en isolator igen, forskerne beskriver i et papir markeret som en redaktørs valg i Fysisk gennemgangsbreve .

"Metaller forbliver normalt metaller; det er højst usandsynligt, at de derefter kan ændres tilbage til en isolator, " siger Ranga Dias, assisterende professor i maskinteknik og i fysik og astronomi i Rochester. "Det faktum, at dette materiale går fra en isolator til et metal og tilbage til en isolator, er meget sjældent."

I øvrigt, overgangene er ledsaget af hidtil usete fald i modstand og volumen på tværs af et ekstremt snævert område af trykændringer - alt sammen forekommende ved omkring 80 grader Fahrenheit. Den relativt lave temperatur øger chancerne for, at metalovergangsprocessen i sidste ende kan blive udnyttet til teknologi, siger Salamat.

I tidligere aviser i Natur og Fysisk gennemgangsbreve , Dias- og Salamat-samarbejdet satte nye benchmarks for at opnå superledning ved stuetemperatur. En fællesnævner for deres arbejde er at udforske de "bemærkelsesværdigt bizarre" måder, overgangsmetaller og andre materialer opfører sig på, når de er parret med sulfider, og derefter komprimeret i en diamantcelleambolt.

"De nye fænomener, vi rapporterer, er et grundlæggende eksempel på reaktioner under højt pres - og vil finde en plads i fysiklærebøger, " siger Salamat. "Der er noget meget spændende ved, hvordan svovl opfører sig, når det er knyttet til andre elementer. Dette har ført til nogle bemærkelsesværdige gennembrud."

De gennembrud, der er opnået af Dias- og Salamat-laboratorierne, har involveret at komprimere blot picoliter af materiale - på størrelse med en enkelt inkjet-partikel.

Spin og tryk ligger til grund for dramatisk metalovergang

Til grund for overgangene beskrevet i dette papir er den måde, hvorpå spin-tilstandene (vinkelmomentum) af individuelle elektroner interagerer, når der påføres tryk, Dias og Salamat forklarer.

Når MnS ₂ er i sin normale isolatortilstand, elektroner er primært i uparrede, "høj spin" orbitaler, får atomer til aktivt at hoppe frem og tilbage. Dette resulterer i, at materialet har højere modstand mod en elektrisk ladning, fordi der er mindre ledig plads til individuelle elektroner, der forsøger at passere gennem materialet.

Men når der påføres tryk - og materialet komprimeres mod en metallisk tilstand - begynder elektronorbitalerne at se hinanden, straks komme imod hinanden, og elektronpar begynder at forbinde sig som én, " siger Salamat.

Dette åbner mere plads for individuelle elektroner til at bevæge sig gennem materialet - så meget, at modstanden falder dramatisk med 8 størrelsesordener, når trykket øges fra 3 gigapascal (435, 000 psi) til 10 gigapascal. Dette er et relativt "nudge" sammenlignet med de 182 til 268 gigapascal, der kræves til superledende materialer.

"I betragtning af det lille pres, der er involveret, et fald i modstand af denne størrelsesorden er virkelig enormt, " siger Dias.

Lav modstand opretholdes selv i slutfasen - når MnS ₂ vender tilbage til en isolator - fordi elektronerne forbliver i en "lav spin" tilstand.

Grundlæggende materialevidenskab, fremtidige teknologiske fremskridt

Som det ofte sker med nye opdagelser inden for grundvidenskab, de mulige anvendelser mangler endnu at blive undersøgt.

Imidlertid, Salamat siger, et overgangsmetal, som med en relativt lille mængde belastning, kan hoppe fra en tilstand til en anden - ved stuetemperatur, ikke mindre – vil sandsynligvis være nyttig.

"Du kunne forestille dig at have en logisk switch eller skrive harddisk, hvor en meget, meget lille permutation i belastning eller spænding kunne få noget til at springe fra en elektronisk tilstand til en anden. Nye versioner af flash-hukommelse, eller solid state hukommelse, kunne permutere og antage en ny tilgang ved at bruge disse typer materialer, " siger Salamat.

"Du kan lave ret aggressive manøvrer for at køre disse materialer ved 300 kelvin, gør dem potentielt nyttige til teknologi."

Hovedforfatter Dylan Durkee, en tidligere bachelor-forsker i Salamat-laboratoriet, arbejder nu som kandidatstuderende hos Dias. Andre medforfattere omfatter Nathan Dasenbrock-Gammon og Elliot Snider i Rochester; Keith Lawler, Alexander Smith, og Christian Childs på UNLV; Dean Smith ved Argonne National Laboratory, og Simon A.J. Kinder ved universitetet i Bourgogne.