Fasövergångar har länge varit av avgörande betydelse för vetenskaplig forskning. Bytet från vatten till is eller ånga är ett enkelt exempel. En fasövergång som är viktig för banbrytande forskning idag är den från metall till isolator i material som kallas "korrelerade oxider". Forskare har skördat många insikter om fenomen som supraledning och magnetism genom att studera vad som händer när en korrelerad oxid som leder elektricitet med liten eller ingen resistans (metallik) ändras till en som inte (isolator) till följd av temperaturförändringar, tryck, eller andra externa fält.

I ett papper i tidningen Natur , Peter Littlewood, tidigare chef för US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory (2014–2017), och hans kollegor föreslår den hittills mest fullständiga bilden av metallisolatorövergången i övergångsmetalloxider. Dessa korrelerade oxider har fascinerat forskare på grund av deras många attraktiva elektroniska och magnetiska egenskaper.

"Stämning och kontroll av denna metallisolatorövergång har varit källan till mycket spännande ny fysik och lovande materialapplikationer, till exempel lågeffekt och ultrasnabb mikroelektronik, "sa Littlewood, för närvarande professor i fysik vid University of Chicago James Franck Institute med ett gemensamt utnämning i Argonnes materialvetenskapliga avdelning och verkställande ordförande för Faraday Institution.

Gian Guzmán-Verri och Richard Brierley gick med i Littlewood i detta forskningsprojekt. Guzmán-Verri började forskningen som Argonne postdoc och är nu professor vid University of Costa Rica. Brierley utförde forskningen under postdoktorala tider vid University of Cambridge och Yale University och är nu redaktör på Nature Communications.

"Det sätt som forskare tidigare har ställt in på denna metallisolatorövergång är genom att lägga till elektroner, "Littlewood sa." Forskning under flera decennier av andra tyder på att justering av storleken på en elektroniskt inaktiv men strukturellt viktig "vegetabilisk jon" inom oxidens kristallstruktur också har en stark inverkan på övergångstemperaturen. "Men orsaken till denna effekt har inte blivit väl förstådd.

Storleken på den elektroniskt inaktiva vegetabiliska jonen kan ändra temperaturen vid vilken metall-isolatorövergången sker från absolut noll till långt över rumstemperatur. Ju högre övergångstemperatur och närmare rumstemperatur, ju mer attraktivt materialet är för praktiska tillämpningar.

Teamets forskning fokuserade på en viktig klass av övergångsmetalloxid - perovskiterna. Tillsammans med syre, dessa oxider kombinerar en elektroniskt aktiv jon och den elektroniskt inaktiva vegetabiliska jonen. Den senare jonen kan vara vilken som helst av de många sällsynta jordartsmetallen eller jordalkalimetaller. Som en konsekvens, forskare kan välja dess atomstorlek att vara relativt liten eller stor utan att ändra den relaterade kemin.

Den vänstra sidan av den medföljande bilden visar den grundläggande kristallstrukturen för en perovskitövergångsmetalloxid. Varje enhetscell (grå diamanter) har åtta sidor, med syreatomer (röda cirklar) belägna vid de sex topparna och övergångsmetallen (antingen mangan eller nickel) gömd i mitten. De gröna cirklarna representerar den vegetabiliska jonen, antingen en sällsynt jordartsmetall eller jordalkalimetall.

Nyckeln till författarnas avgörande upptäckt är bestämningen av effekten av storleken på den sällsynta jorden eller jordalkalimetallen. Varierande storleken på detta element förändrar lutningsvinkeln som införs i de åttasidiga enheterna, visas till höger i den medföljande figuren. I tur och ordning, att öka lutningsvinkeln resulterar i olika snedvridningar och rörelser i de åttasidiga enheterna, som kan sträcka sig, krympa och rotera till följd av inre spänningar.

"Det är de dynamiska fluktuationerna i dessa elastiska frihetsgrader som är ansvariga för de observerade termiska effekterna, som uppträder vid mycket lägre temperaturer än vad som redovisades i tidigare modeller baserade enbart på den elektroniskt aktiva jonen, "Sa Littlewood.

På grundval av ovanstående mekanism, laget kunde konstruera en teori som fångar sambandet mellan lutningsvinkeln som induceras av vegetabiliska jonstorlek, temperaturen på metallisolatorövergången och graden av störning i perovskitkristallstrukturen. Relativt enkla beräkningar med teorin stämde väl överens med experimentella resultat från absolut noll till över 600 grader Fahrenheit.

"Viktigt, vår teoretiska studie gäller inte bara ett enda material, men en hel klass av material, och har många möjliga tillämpningar, inklusive några relevanta för pågående och planerade forskningsprogram i Argonne, "sa Littlewood.

Inom det framväxande forskningsområdet för nästa generations mikroelektronik, till exempel, förbättrad avstämning och kontroll av metallisolatorövergången håller löftet om ett stort steg framåt i lågeffekt och ultrasnabb mikroelektronik för datorer som simulerar hjärnprocesser.

Dessutom, forskare i Argonnes batteriprogram i världsklass kanske kan använda teorin som inspiration för att designa bättre katodmaterial för nästa generations litiumjonbatterier. En del av inspirationen till forskningen från Littlewoods team var John Goodenoughs banbrytande forskning om metallisolatorövergången för många decennier sedan. Goodenough översatte den förståelsen till inspirationen att uppfinna Li-ion-batteriet, och i år vann han Nobelpriset i kemi för sitt arbete.

De Natur papper av Littlewood, Guzmán-Verri, och Richard Brierley har titeln "Kooperativa elastiska fluktuationer ger inställning av metallisolatorövergången."