Elektrondensitetsfördelning av gränsorbitalen för en TMTTF-molekyl. Elektroner i de ingående atomerna i molekylen kan betraktas som antingen kärnelektroner, som inte har någon interaktion med omgivningen, eller elektroner från gränsorbitaler, som bestämmer många fysikaliska egenskaper hos molekylen. Vi lyckades visualisera gränsmolekylära orbitalfördelningen av en TMTTF genom exakt strukturell analys med hjälp av en core differential Fourier-syntes (CDFS) metod. Kredit:Shunsuke Kitou
Nagoya University-ledda team av fysiker använder en synkrotronstrålningsröntgenkälla för att undersöka en så kallad "strukturlös" övergång och utveckla en ny förståelse för molekylära ledare.
Vi förknippar normalt ledning av elektricitet med metaller. Dock, några av de höga uppmätta konduktiviteterna finns i vissa organiska molekylära kristaller. Metallisk, halvledande och till och med supraledande egenskaper kan uppnås i dessa material, som har intresserat forskare i decennier. Ändring av temperatur eller tryck orsakar fasövergångar i kristallstrukturen hos molekylära ledare och deras relaterade ledningsegenskaper. Forskare kan vanligtvis bestämma kristallstrukturen med hjälp av röntgendiffraktion. Dock, strukturell förändring som åtföljer fasövergång i en viss organisk kristall (TMTTF)2PF6 har trotsat undersökning i nästan 40 år.
Nu, ett forskarlag vid Nagoya University har äntligen förklarat de mystiska strukturella förändringarna av denna fasövergång och dess relaterade elektroniska beteende.
"Forskare har ifrågasatt att TMTTF-saltet (tetrametyltetrathiafulvalene) visar en laddningsdisproportioneringsövergång vid 67 Kelvin men inga relevanta förändringar i dess kristallstruktur. Denna övergång är ett långvarigt mysterium känt som en 'strukturlös övergång', " förklarar huvudförfattaren Shunsuke Kitou.
TMTTF är en organisk donator som även finns i vissa organiska supraledare. Precis över temperaturen som flytande kväve fryser, denna organiska kristall beter sig som en isolator. Men när temperaturen sänks går den igenom elektroniska och magnetiska förändringar.
Hittills har dessa strukturella förändringar varit för små för att kunna mätas direkt. Genom att använda röntgenkällan på SPring8, i Hyogo Japan, teamet kunde exakt bestämma kristallstrukturen i varje steg. Den strukturlösa övergången innebär bildandet av en tvådimensionell Wigner-kristall, baserat på en förändring i distributionsmönster för elektroner i strukturen.
"Vi har exakt karakteriserat de subtila strukturella förändringarna över denna övergång och slutligen gett en fullständig fysisk förklaring till den skenbara oföränderliga strukturen hos denna organiska ledare, " säger gruppledare Hiroshi Sawa. "Exakta kristallografiska data saknas fortfarande för många organiska ledare och vi hoppas att våra resultat kommer att inspirera andra grupper att titta närmare på dessa system. En bättre förståelse för deras komplexa beteende kan bana väg för en rad nya funktionella elektroniska material."
