Eftersom en förening av mangansulfid komprimeras i en diamantstädcell, den genomgår dramatiska övergångar. I den här illustrationen, interaktionen mellan mangan (Mn) atomjoner (lila cirklar) och disulfur (S 2 ) molekylära joner (figur 8s) ökar från vänster till höger tills överlappningen är tillräckligt stor för att göra systemet metalliskt. Kredit:Dean Smith, Argonne National Lab
Anmärkningsvärda saker händer när en "squishy" förening av mangan och sulfid (MnS 2 ) är komprimerad i ett diamantstäd, säger forskare från University of Rochester och University of Nevada, Las Vegas (UNLV).
"Det här är en ny typ av avgiftsöverföringsmekanism, och så ur vetenskapssamfundets synvinkel är detta mycket, väldigt spännande. Vi visar anmärkningsvärda fysiska transformationer under en mycket, mycket kort spektrum av parametrar, i detta fall tryck, " säger Ashkan Salamat, docent i fysik vid UNLV.
Till exempel, när trycket ökar, MnS 2 , en mjuk isolator, övergår till ett metalliskt tillstånd och sedan till en isolator igen, forskarna beskriver i en tidning flaggad som en redaktörs val i Fysiska granskningsbrev .
"Metaller förblir vanligtvis metaller, det är högst osannolikt att de sedan kan ändras tillbaka till en isolator, säger Ranga Dias, biträdande professor i maskinteknik och i fysik och astronomi vid Rochester. "Det faktum att detta material går från en isolator till en metall och tillbaka till en isolator är mycket sällsynt."
Dessutom, övergångarna åtföljs av oöverträffade minskningar i motstånd och volym över ett extremt snävt område av tryckförändringar – allt sker vid cirka 80 grader Fahrenheit. Den relativt låga temperaturen ökar chanserna att metallövergångsprocessen så småningom kan utnyttjas för teknik, säger Salamat.
I tidigare tidningar i Natur och Fysiska granskningsbrev , Dias och Salamat-samarbetet sätter nya riktmärken för att uppnå supraledning vid rumstemperatur. En gemensam nämnare för deras arbete är att utforska de "anmärkningsvärt bisarra" sätten på hur övergångsmetaller och andra material beter sig när de paras ihop med sulfider, och sedan komprimerad i ett diamantcellsstäd.
"De nya fenomen vi rapporterar är ett grundläggande exempel på svar under högt tryck - och kommer att hitta en plats i fysikläroböcker, " säger Salamat. "Det är något väldigt spännande med hur svavel beter sig när det är fäst vid andra element. Detta har lett till några anmärkningsvärda genombrott."
De genombrott som uppnåtts av Dias- och Salamat-labben har inneburit att bara komprimera pikoliter av material - ungefär lika stor som en enda bläckstrålepartikel.
Spinn och tryck ligger bakom dramatisk metallövergång
Under de övergångar som beskrivs i detta dokument ligger hur spinntillstånden (momentum) hos individuella elektroner interagerar när tryck appliceras, Dias och Salamat förklarar.
Bisarra saker kan hända när övergångsmetaller och andra material komprimeras i ett diamantstäd. Här, Ranga Dias har en array som innehåller diamantstädceller. Kredit:University of Rochester foto / J. Adam Fenster
När MnS 2 är i sitt normala isolatortillstånd, elektroner är främst i oparade, "hög spinn" orbitaler, får atomer att aktivt studsa fram och tillbaka. Detta resulterar i att materialet har högre motstånd mot en elektrisk laddning eftersom det finns mindre ledigt utrymme för enskilda elektroner som försöker passera genom materialet.
Men när tryck appliceras - och materialet komprimeras mot ett metalliskt tillstånd - börjar elektronorbitalerna "se varandra, genast komma mot varandra, och elektronpar börjar kopplas ihop som en, " säger Salamat.
Detta öppnar upp mer utrymme för individuella elektroner att röra sig genom materialet - så mycket att motståndet sjunker dramatiskt med 8 storleksordningar, när trycket ökar från 3 gigapascal (435, 000 psi) till 10 gigapascal. Detta är en relativ "nudge" jämfört med de 182 till 268 gigapascal som krävs för supraledande material.
"Med tanke på det lilla omfånget av tryck som är involverat, en minskning i motstånd av denna storlek är verkligen enorm, " säger Dias.
Lågt motstånd bibehålls även i slutfasen – när MnS 2 återgår till en isolator - eftersom elektronerna förblir i ett "lågt spinn"-tillstånd.
Grundläggande materialvetenskap, framtida tekniska framsteg
Som ofta händer med nya upptäckter inom grundläggande vetenskap, de möjliga tillämpningarna har ännu inte undersökts.
Dock, Salamat säger, en övergångsmetall som, med en relativt liten belastning, kan hoppa från ett tillstånd till ett annat - vid rumstemperatur, inte mindre — kommer sannolikt att vara användbar.
"Du kan tänka dig att ha en logisk switch eller skriva hårddisk, där en mycket, mycket liten permutation i spänning eller spänning kan få något att hoppa från ett elektroniskt tillstånd till ett annat. Nya versioner av flashminne, eller halvledarminne, skulle kunna permutera och ta ett nytt tillvägagångssätt med hjälp av dessa typer av material, " säger Salamat.
"Du kan göra ganska aggressiva manövrar för att köra dessa material vid 300 kelvin, vilket gör dem potentiellt användbara för teknik."
Huvudförfattare Dylan Durkee, en före detta forskare i Salamat-labbet, arbetar nu som doktorand hos Dias. Andra medförfattare inkluderar Nathan Dasenbrock-Gammon och Elliot Snider på Rochester; Keith Lawler, Alexander Smith, och Christian Childs vid UNLV; Dean Smith vid Argonne National Laboratory, och Simon A.J. Kinder vid universitetet i Bourgogne.
