Como se comprime un compuesto de sulfuro de manganeso en una celda de yunque de diamante, sufre transiciones dramáticas. En esta ilustración, la interacción entre los iones atómicos de manganeso (Mn) (círculos púrpuras) y el disulfuro (S 2 ) los iones moleculares (figura 8s) aumentan de izquierda a derecha hasta que la superposición es lo suficientemente significativa como para hacer que el sistema sea metálico. Crédito:Dean Smith, Laboratorio Nacional Argonne
Suceden cosas notables cuando un compuesto "blando" de manganeso y sulfuro (MnS 2 ) está comprimido en un yunque de diamante, dicen investigadores de la Universidad de Rochester y la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV).
"Este es un nuevo tipo de mecanismo de transferencia de carga, y así, desde el punto de vista de la comunidad científica, esto es muy, muy emocionante. Estamos mostrando notables transformaciones físicas en un período muy, rango muy corto de parámetros, en este caso presión, "dice Ashkan Salamat, profesor asociado de física en la UNLV.
Por ejemplo, a medida que aumenta la presión, MnS 2 , un aislante blando, pasa a un estado metálico y luego a un aislante nuevamente, los investigadores describen en un artículo marcado como la elección de un editor en Cartas de revisión física .
"Los metales suelen seguir siendo metales; es muy poco probable que luego puedan volver a convertirse en un aislante, "dice Ranga Dias, profesor asistente de ingeniería mecánica y de física y astronomía en Rochester. "El hecho de que este material pase de un aislante a un metal y de vuelta a un aislante es muy raro".
Es más, las transiciones van acompañadas de disminuciones sin precedentes en la resistencia y el volumen en un rango extremadamente estrecho de cambio de presión, todo lo cual ocurre a aproximadamente 80 grados Fahrenheit. La temperatura relativamente baja aumenta las posibilidades de que el proceso de transición de metales eventualmente se aproveche para la tecnología, Dice Salamat.
En trabajos anteriores en Naturaleza y Cartas de revisión física , la colaboración de Dias y Salamat estableció nuevos puntos de referencia para lograr la superconductividad a temperatura ambiente. Un denominador común de su trabajo es explorar las formas "notablemente extrañas" en que se comportan los metales de transición y otros materiales cuando se combinan con sulfuros. y luego comprimido en un yunque de celda de diamante.
"Los nuevos fenómenos que estamos informando son un ejemplo fundamental de respuestas bajo alta presión y encontrarán un lugar en los libros de texto de física. "Dice Salamat." Hay algo muy intrigante sobre cómo se comporta el azufre cuando está adherido a otros elementos. Esto ha dado lugar a algunos avances notables ".
Los avances logrados por los laboratorios Dias y Salamat han involucrado la compresión de meros picolitros de material, aproximadamente del tamaño de una sola partícula de inyección de tinta.
El giro y la presión son la base de la dramática transición del metal.
Detrás de las transiciones descritas en este artículo se encuentran la forma en que los estados de espín (momento angular) de los electrones individuales interactúan cuando se aplica presión, Dias y Salamat explican.
Pueden suceder cosas extrañas cuando los metales de transición y otros materiales se comprimen en un yunque de diamante. Aquí, Ranga Dias sostiene una matriz que contiene celdas de yunque de diamante. Crédito:Foto de la Universidad de Rochester / J. Adam Fenster
Cuando MnS 2 está en su estado normal de aislamiento, los electrones están principalmente en desapareados, orbitales de "giro alto", haciendo que los átomos reboten activamente hacia adelante y hacia atrás. Esto da como resultado que el material tenga una mayor resistencia a una carga eléctrica porque hay menos espacio libre para los electrones individuales que intentan atravesar el material.
Pero a medida que se aplica presión y el material se comprime hacia un estado metálico, los orbitales de los electrones "comienzan a verse entre sí, inmediatamente se acercan el uno al otro, y los pares de electrones comienzan a unirse como uno, "Dice Salamat.
Esto abre más espacio para que los electrones individuales se muevan a través del material, tanto que la resistencia cae drásticamente en 8 órdenes de magnitud. a medida que aumenta la presión de 3 gigapascales (435, 000 psi) a 10 gigapascales. Este es un "empujón" relativo en comparación con los 182 a 268 gigapascales requeridos para los materiales superconductores.
"Dado el pequeño rango de presión involucrado, una caída en la resistencia de esta magnitud es realmente enorme, "Dias dice.
La baja resistencia se mantiene incluso en la fase final, cuando el MnS 2 vuelve a ser un aislante, porque los electrones permanecen en un estado de "giro bajo".
Ciencia de materiales básicos, futuros avances tecnológicos
Como ocurre a menudo con los nuevos descubrimientos en ciencia básica, las posibles aplicaciones aún no se han explorado.
Sin embargo, Salamat dice:un metal de transición que, con una cantidad relativamente pequeña de tensión, puede saltar de un estado a otro, a temperatura ambiente, ni menos, es probable que sea útil.
"Podrías imaginar tener un interruptor lógico o escribir en el disco duro, donde un muy, una permutación muy pequeña en la tensión o el voltaje podría hacer que algo salte de un estado electrónico a otro. Nuevas versiones de memoria flash, o memoria de estado sólido, podría permutar y adoptar un nuevo enfoque utilizando este tipo de materiales, "Dice Salamat.
"Puedes hacer maniobras bastante agresivas para conducir estos materiales a 300 kelvin, haciéndolos potencialmente útiles para la tecnología ".
El autor principal Dylan Durkee, un ex investigador de pregrado en el laboratorio Salamat, ahora trabaja como estudiante de posgrado con Dias. Otros coautores incluyen Nathan Dasenbrock-Gammon y Elliot Snider en Rochester; Keith Lawler, Alexander Smith, y Christian Childs en UNLV; Dean Smith en el Laboratorio Nacional de Argonne, y Simon A.J. Kinder en la Universidad de Borgoña.
