Lorsqu’un composé de sulfure de manganèse est comprimé dans une cellule à enclume de diamant, il subit des transitions spectaculaires. Dans cette illustration, l’interaction entre les ions atomiques manganèse (Mn) (cercles violets) et les ions moléculaires disulfure (S2) (figure 8s) augmente de gauche à droite jusqu’à ce que le chevauchement soit suffisamment important pour rendre le système métallique. Crédit : Illustration reproduite avec l’aimable autorisation de Dean Smith, Argonne National Lab
Des transitions d’isolant à métal à isolant dans une cellule à enclume de diamant, avec des diminutions sans précédent de la résistance, du volume sur une plage étroite de pressions à température ambiante, selon des chercheurs des universités de Rochester et du Nevada, à Las Vegas.
Des choses remarquables se produisent lorsqu’un composé « spongieux » de manganèse et de sulfure (MnS2) est comprimé dans une enclume en diamant, selon des chercheurs de l’Université de Rochester et de l’Université du Nevada, Las Vegas (UNLV).
« Il s’agit d’un nouveau type de mécanisme de transfert de charge, et donc du point de vue de la communauté scientifique, c’est très, très excitant. Nous montrons des transformations physiques remarquables sur une très, très courte plage de paramètres, dans ce cas la pression », explique Ashkan Salamat, professeur agrégé de physique à l’UNLV.
Par exemple, à mesure que la pression augmente, MnS2, un isolant souple, passe à un état métallique puis à nouveau à un isolant, les chercheurs décrivent dans un article signalé comme le choix d’un éditeur dans Lettres d’examen physique.
« Les métaux restent généralement des métaux ; il est très peu probable qu’ils puissent ensuite être reconvertis en isolants », explique Ranga Dias, professeur adjoint de génie mécanique et de physique et d’astronomie à Rochester. “Le fait que ce matériau passe d’un isolant à un métal et de nouveau à un isolant est très rare.”
De plus, les transitions s’accompagnent de diminutions sans précédent de la résistance et du volume sur une plage de variation de pression extrêmement étroite, toutes se produisant à environ 80 degrés. Fahrenheit. La température relativement basse augmente les chances que le processus de transition métallique puisse éventuellement être exploité pour la technologie, dit Salamat.
Dans les articles précédents de La nature et Lettres d’examen physique, la collaboration Dias et Salamat a établi de nouvelles références pour atteindre la supraconductivité à température ambiante. Un dénominateur commun de leurs travaux est d’explorer les manières « remarquablement bizarres » dont les métaux de transition et d’autres matériaux se comportent lorsqu’ils sont associés à des sulfures, puis compressés dans une enclume à cellules en diamant.
“Les nouveaux phénomènes que nous rapportons sont un exemple fondamental de réponses sous haute pression et trouveront une place dans les manuels de physique”, a déclaré Salamat. « Il y a quelque chose de très intriguant dans la façon dont le soufre se comporte lorsqu’il est attaché à d’autres éléments. Cela a conduit à des avancées remarquables. »
Les percées réalisées par les laboratoires Dias et Salamat ont impliqué la compression de simples picolitres de matériau, soit environ la taille d’une seule particule à jet d’encre.
La rotation et la pression sous-tendent la transition métal dramatique
Les transitions décrites dans cet article sont sous-jacentes à la manière dont les états de spin (moment angulaire) des électrons individuels interagissent lorsque la pression est appliquée, expliquent Dias et Salamat.
Lorsque MnS2 est dans son état isolant normal, les électrons se trouvent principalement dans des orbitales non appariées à « spin élevé », provoquant un rebond actif des atomes. Il en résulte que le matériau a une résistance plus élevée à une charge électrique car il y a moins d’espace libre pour les électrons individuels essayant de traverser le matériau.
Mais à mesure que la pression est appliquée et que le matériau est comprimé vers un état métallique, les orbitales électroniques « commencent à se voir, se rapprochent immédiatement et des paires d’électrons commencent à se relier en un seul », explique Salamat.
Cela ouvre plus d’espace aux électrons individuels pour se déplacer à travers le matériau, à tel point que la résistance chute considérablement de 8 ordres de grandeur, lorsque la pression passe de 3 gigapascals (435 000 psi) à 10 gigapascals. C’est un « coup de pouce » relatif par rapport aux 182 à 268 gigapascals requis pour les matériaux supraconducteurs.
“Compte tenu de la petite plage de pression impliquée, une baisse de résistance de cette ampleur est vraiment énorme”, explique Dias.
Une faible résistance est maintenue même dans la phase finale – lorsque le MnS2 redevient un isolant – car les électrons restent dans un état de « faible spin ».
Science fondamentale des matériaux, futures avancées technologiques
Comme cela arrive souvent avec les nouvelles découvertes en science fondamentale, les applications possibles doivent encore être explorées.
Cependant, dit Salamat, un métal de transition qui, avec une quantité de contrainte relativement faible, peut passer d’un état à un autre – à température ambiante, rien de moins – est susceptible d’être utile.
« Vous pourriez imaginer avoir un commutateur logique ou un disque dur d’écriture, où une très, très petite permutation de tension ou de tension pourrait faire passer quelque chose d’un état électronique à un autre. De nouvelles versions de mémoire flash, ou mémoire à semi-conducteurs, pourraient permuter et adopter une nouvelle approche en utilisant ces types de matériaux », explique Salamat.
« Vous pouvez effectuer des manœuvres assez agressives pour conduire ces matériaux à 300 kelvins, ce qui les rend potentiellement utiles pour la technologie. »
Référence : “Réponse de résistance colossale induite par la densité dans l’isolant à transfert de charge négatif MnS2» par Dylan Durkee, Nathan Dasenbrock-Gammon, G. Alexander Smith, Elliot Snider, Dean Smith, Christian Childs, Simon A. J. Kimber, Keith V. Lawler, Ranga P. Dias et Ashkan Salamat, 30 juin 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.016401
L’auteur principal Dylan Durkee, ancien chercheur de premier cycle au laboratoire Salamat, travaille maintenant en tant qu’étudiant diplômé avec Dias. D’autres coauteurs incluent Nathan Dasenbrock-Gammon et Elliot Snider à Rochester ; Keith Lawler, Alexander Smith et Christian Childs à l’UNLV ; Dean Smith au Laboratoire National d’Argonne et Simon AJ Kinder à l’Université de Bourgogne.
La National Science Foundation et le ministère de l’Énergie ont soutenu la recherche avec un financement. L’Institut national de calcul intensif de l’UNLV a fourni des ressources de calcul et une partie du travail a été effectuée au Laboratoire national d’Argonne et à l’Université de Bourgogne.
