Sotto pressione, il composto “morbido” reagisce in modi meravigliosi

Cose sorprendenti accadono quando è presente il composto “soffice” di manganese e solfuro (MnS .)₂) è compresso in un’incudine di diamante, affermano i ricercatori dell’Università di Rochester e dell’Università del Nevada, Las Vegas (UNLV).

“Questo è un nuovo tipo di meccanismo di trasferimento di carica e, dal punto di vista della comunità scientifica, è molto eccitante. Stiamo mostrando notevoli cambiamenti fisici attraverso una gamma molto, molto breve di parametri, in questo caso Pressioneafferma Ashkan Salamat, professore associato di fisica all’UNLV.

Ad esempio, all’aumentare della pressione, MnS₂, isolante morbido, si sposta su custodia in metallo Quindi di nuovo isolante, i ricercatori descrivono in un documento contrassegnato come scelta dell’editore in messaggi di revisione fisica.

“I metalli di solito rimangono metalli; è molto improbabile che vengano trasformati di nuovo in un isolante”, afferma Ranga Dias, professore associato di ingegneria meccanica, fisica e astronomia a Rochester. “Il fatto che questo materiale passi dall’isolante al metallo e di nuovo all’isolante è estremamente raro”.

Inoltre, le transizioni sono accompagnate da una diminuzione senza precedenti della resistenza e del volume in una gamma molto ristretta di variazioni di pressione, che si verificano tutte a circa 80 gradi Fahrenheit. Salamat afferma che la temperatura relativamente bassa aumenta le possibilità di sfruttare l’eventuale transizione del metallo alla tecnologia.

Nei precedenti articoli in natura e messaggi di revisione fisicaLa collaborazione Dias e Salamat ha fissato nuovi standard per raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente. Il denominatore comune del loro lavoro è esplorare i modi “stranamente” in cui i metalli e altri materiali si comportano quando combinati con solfuri, quindi compressi in un’incudine a cella di diamante.

“I nuovi fenomeni che stiamo segnalando sono un ottimo esempio di risposte sotto alta pressione— e troverà posto nei libri di testo di fisica, dice Salamat. “C’è qualcosa di molto interessante su come si comporta lo zolfo quando è legato ad altri elementi. E questo ha portato ad alcune scoperte interessanti”.

Comprese le realizzazioni del laboratorio Dias e l’integrità della pressione del picolitro del materiale – la dimensione di una singola particella a getto d’inchiostro – incluse.

Rotazione e pressione sono alla base della drammatica trasformazione dei metalli

Alla base delle trasformazioni descritte in questo articolo c’è il modo in cui sono stati di rotazione Dias e Salamat mostrano che il (momento angolare) dei singoli elettroni interagisce con l’applicazione della pressione.

Quando MnS₂ Gli elettroni sono nel loro normale stato isolante e gli elettroni si trovano essenzialmente in orbitali “ad alto spin” spaiati, che fanno rimbalzare attivamente gli atomi avanti e indietro. Ciò si traduce nel materiale che ha una maggiore resistenza alla carica elettrica perché c’è meno quantità Spazio vuoto Per i singoli elettroni che cercano di passare attraverso il materiale.

Ma quando viene applicata la pressione – e il materiale viene compresso verso uno stato metallico – gli orbitali elettronici “iniziano a vedersi e si avvicinano immediatamente l’uno all’altro, e le coppie di elettroni iniziano a legarsi come una”, dice Salamat.

Questo apre più spazio affinché i singoli elettroni si muovano attraverso il materiale, tanto che la resistenza diminuisce drasticamente di 8 ordini di grandezza, con un aumento della pressione da 3 gigapascal (435.000 psi) a 10 gigapascal. Questa è una “spinta” relativa rispetto ai 182-268 GPa richiesti per i materiali superconduttori.

“Dato il piccolo intervallo di pressione coinvolto, un calo di resistenza di tale entità è davvero enorme”, afferma Dias.

La bassa resistenza viene mantenuta anche nella fase finale – quando MnS₂ Torna a un isolante, perché gli elettroni rimangono in uno stato di “basso spin”.

Scienza dei materiali di base, progresso tecnologico futuro

Come spesso accade con le nuove scoperte nella scienza di base, le possibili applicazioni non sono ancora state esplorate.

Tuttavia, dice Salamat, è probabile che il metallo di transizione, con una quantità relativamente piccola di stress, che salta da uno stato all’altro – a temperatura ambiente, non meno – sia benefico.

“Puoi immaginare di avere un interruttore logico o di scrivere un disco rigido, dove un cambiamento molto, molto piccolo di pressione o tensione può far passare qualcosa da uno stato elettronico a un altro. Le versioni più recenti della memoria flash, o memoria a stato solido, possono passare e adottare un nuovo approccio utilizzando questi tipi di materiali”, afferma Salamat.

Puoi fare manovre molto aggressive per spingere questo materiale fino a 300 K, il che lo rende utile per la tecnologia.

L’autore principale Dylan Dorky, un ex ricercatore universitario nel laboratorio di Salamat, è ora uno studente laureato con Dias. Altri coautori includono Nathan Dusenbrook Jamon e Elliot Snyder a Rochester. Keith Lawler, Alexander Smith e Christian Childs all’UNLV; Dean Smith all’Argonne National Laboratory e Simon A.J. Kinder all’Università della Borgogna.