Er gebeuren opmerkelijke dingen wanneer een "squishy" verbinding van mangaan en sulfide (MnS2) wordt samengeperst in een diamanten aambeeld, rapporteren onderzoekers.
"Dit is een nieuw type ladingsoverdrachtsmechanisme, en dus vanuit het oogpunt van de wetenschappelijke gemeenschap is dit heel, heel opwindend. We laten opmerkelijke fysieke transformaties zien over een heel, heel kort bereik van parameters, in dit geval druk”, zegt Ashkan Salamat, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Nevada, Las Vegas.
Als de druk bijvoorbeeld toeneemt, gaat MnS2, een zachte isolator, over in een metallische toestand en vervolgens weer in een isolator , beschrijven de onderzoekers in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters .
"Het feit dat dit materiaal van een isolator naar een metaal en terug naar een isolator gaat, is zeer zeldzaam."
“Metalen blijven meestal metalen; het is hoogst onwaarschijnlijk dat ze daarna weer als isolator kunnen worden veranderd', zegt Ranga Dias, assistent-professor werktuigbouwkunde en natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Rochester. "Het feit dat dit materiaal van een isolator naar een metaal en terug naar een isolator gaat, is zeer zeldzaam."
Bovendien gaan de overgangen gepaard met ongekende afnames in weerstand en volume over een extreem smal bereik van drukveranderingen – allemaal bij ongeveer 80 graden Fahrenheit. De relatief lage temperatuur vergroot de kans dat het metaaltransitieproces uiteindelijk kan worden gebruikt voor technologie, zegt Salamat.
In eerdere artikelen in Nature and Physical Review Letters hebben Dias en Salamat 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 worden samengeperst in een aambeeld van diamantcellen.
"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 wanneer het aan andere elementen wordt gehecht. Dit heeft geleid tot een aantal opmerkelijke doorbraken.”
De doorbraken die de Dias- en Salamat-labs hebben bereikt, omvatten het comprimeren van louter picoliter materiaal – ongeveer de grootte van een enkel inkjetdeeltje.
Spin en druk
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, leggen Dias en Salamat uit.
Wanneer MnS2 zich in zijn normale isolatortoestand bevindt, bevinden elektronen zich 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 samengeperst tot een metaalachtige toestand – "beginnen de elektronenorbitalen elkaar te zien, komen ze onmiddellijk naar elkaar toe en beginnen elektronenparen zich als één geheel te verbinden", 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, naarmate 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 dat ermee gemoeid is, is een weerstandsdaling van deze omvang echt enorm", zegt Dias.
Zelfs in de laatste fase – wanneer de MnS2 terugkeert naar een isolator – wordt een lage weerstand behouden, omdat de elektronen in een "lage spin" -toestand blijven.
Fundamentele wetenschap, groot potentieel
Zoals vaak gebeurt met nieuwe ontdekkingen in de basiswetenschap, moeten de mogelijke toepassingen nog worden onderzocht. Salamat zegt echter dat een overgangsmetaal dat, met een relatief kleine hoeveelheid spanning, van de ene toestand naar de andere kan springen – bij kamertemperatuur niet minder – waarschijnlijk nuttig is.
"Je kunt je voorstellen dat je een logische schakelaar of een schrijvende harde schijf hebt, waar een heel, heel kleine permutatie in spanning of spanning iets van de ene elektronische toestand naar de andere kan laten springen. Nieuwe versies van flash-geheugen, of solid-state geheugen, kunnen permuteren en een nieuwe benadering aannemen met 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."
Extra co-auteurs zijn van Argonne National Laboratory; de Universiteit van Bourgondië; de Universiteit van Nevada, Las Vegas; en de Universiteit van Rochester.
De National Science Foundation en het Department of Energy ondersteunden het onderzoek. Het UNLV National Supercomputing Institute leverde computerbronnen en delen van het werk werden uitgevoerd in het Argonne National Laboratory en de Universiteit van Bourgogne.
Bron: Universiteit van Rochester
Het bericht Druk transformeert 'squishy' compound op bizarre manieren verscheen eerst op Futurity .
