Las transiciones de fase han sido durante mucho tiempo de importancia crucial para la investigación científica. El cambio de agua a hielo o vapor es un ejemplo sencillo. Una transición de fase importante para la investigación pionera en la actualidad es la del metal al aislante en materiales denominados "óxidos correlacionados". Los científicos han obtenido muchos conocimientos sobre fenómenos como la superconductividad y el magnetismo al estudiar lo que sucede cuando un óxido correlacionado que conduce la electricidad con poca o ninguna resistencia (similar a un metal) cambia a uno que no lo hace (aislante) como resultado de los cambios de temperatura. presión, u otros campos externos.

En un artículo de la revista Naturaleza , Peter Littlewood, ex director del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) (2014-2017), y sus colegas proponen el panorama más completo hasta la fecha sobre la transición metal-aislante en óxidos de metales de transición. Estos óxidos correlacionados han fascinado a los científicos debido a sus numerosas y atractivas propiedades electrónicas y magnéticas.

"El ajuste y el control de esta transición metal-aislante ha sido la fuente de nuevas y emocionantes aplicaciones de física y materiales prometedores, como la microelectrónica ultrarrápida y de baja potencia, "dijo Littlewood, actualmente es profesor de física en el Instituto James Franck de la Universidad de Chicago con un cargo conjunto en la división de Ciencia de Materiales de Argonne y presidente ejecutivo de la Institución Faraday.

Junto a Littlewood en este proyecto de investigación se encontraban Gian Guzmán-Verri y Richard Brierley. Guzmán-Verri comenzó la investigación como postdoctorado en Argonne y ahora es profesor en la Universidad de Costa Rica. Brierley realizó la investigación durante los nombramientos posdoctorales en la Universidad de Cambridge y la Universidad de Yale y ahora es editor en Nature Communications.

"La forma en que los científicos en el pasado solían sintonizar esta transición metal-aislante es agregando electrones, "La investigación realizada por otros durante varias décadas sugiere que ajustar el tamaño de un 'ion vegetal' electrónicamente inactivo pero estructuralmente importante dentro de la estructura cristalina del óxido también tiene un fuerte impacto en la temperatura de transición", dijo Littlewood. la razón de este efecto no se ha entendido bien.

El tamaño del ión vegetal electrónicamente inactivo puede alterar la temperatura a la que se produce la transición metal-aislante desde el cero absoluto hasta muy por encima de la temperatura ambiente. Cuanto mayor sea la temperatura de transición y más cercana a la temperatura ambiente, cuanto más atractivo es el material para aplicaciones prácticas.

La investigación del equipo se centró en una clase importante de óxido de metal de transición:las perovskitas. Junto con el oxígeno estos óxidos combinan un ion electrónicamente activo y el ion vegetal electrónicamente inactivo. El último ion puede ser cualquiera de los muchos elementos de tierras raras o metales alcalinotérreos. Como consecuencia, los científicos pueden elegir que su tamaño atómico sea relativamente pequeño o grande sin cambiar la química relacionada.

El lado izquierdo de la imagen adjunta muestra la estructura cristalina básica de un óxido de metal de transición de perovskita. Cada celda unitaria (diamantes grises) tiene ocho lados, con átomos de oxígeno (círculos rojos) situados en los seis vértices y el metal de transición (ya sea manganeso o níquel) escondido en el centro. Los círculos verdes representan el ion vegetal, ya sea un metal de tierras raras o alcalinotérreo.

La clave del descubrimiento fundamental de los autores es la determinación del efecto del tamaño del metal de tierras raras o alcalinotérreo. Variar el tamaño de este elemento cambia el ángulo de inclinación introducido en las unidades de ocho lados, que se muestra en el lado derecho de la figura adjunta. Sucesivamente, el aumento del ángulo de inclinación da como resultado diversas distorsiones y movimientos en las unidades de ocho lados, que puede estirarse, encoger y rotar como resultado de tensiones internas.

"Son las fluctuaciones dinámicas de estos grados elásticos de libertad las responsables de los efectos térmicos observados, que ocurren a temperaturas mucho más bajas que las consideradas en modelos anteriores basados ​​puramente en el ion electrónicamente activo, "Dijo Littlewood.

Sobre la base del mecanismo anterior, el equipo pudo construir una teoría que captura la relación entre el ángulo de inclinación inducido por el tamaño del ión vegetal, la temperatura de la transición metal-aislante y el grado de desorden en la estructura del cristal de perovskita. Los cálculos relativamente simples con la teoría coincidían bien con los resultados experimentales desde el cero absoluto hasta más de 600 grados Fahrenheit.

"En tono rimbombante, Nuestro estudio teórico se aplica no solo a un solo material, sino toda una clase de materiales, y tiene muchas aplicaciones posibles, incluidos algunos relevantes para los programas de investigación en curso y planificados en Argonne, "dijo Littlewood.

En el área de investigación emergente de la microelectrónica de próxima generación, por ejemplo, El ajuste y el control mejorados de la transición metal-aislante prometen un gran avance en la microelectrónica ultrarrápida y de bajo consumo de energía para computadoras que simulan procesos cerebrales.

Además, Los científicos del programa de baterías de clase mundial de Argonne podrían usar la teoría como inspiración para diseñar mejores materiales de cátodos para baterías de iones de litio de próxima generación. Parte de la inspiración para la investigación del equipo de Littlewood fue la investigación pionera de John Goodenough sobre la transición metal-aislante hace muchas décadas. Goodenough tradujo ese entendimiento en la inspiración para inventar la batería de iones de litio, y este año ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo.

los Naturaleza papel de Littlewood, Guzmán-Verri, y Richard Brierley se titula "Las fluctuaciones elásticas cooperativas proporcionan un ajuste de la transición metal-aislante".