当一个“黏糊糊的”化合物被压缩时,会发生不同寻常的事情

戏剧性转变硫化锰化合物

当硫化锰的化合物被压缩在钻石砧槽中时,它会经历戏剧性的转变。在本图中,锰(Mn)原子离子(紫色圆圈)和二硫(S2)分子离子(图8s)之间的相互作用从左到右增加,直到重叠足够显著,使系统具有金属性质。插图:由阿贡国家实验室迪恩·史密斯提供

罗彻斯特大学和拉斯维加斯内华达大学的研究人员说,在金刚石砧室中,从绝缘体到金属再到绝缘体的转变,伴随着在室温下狭窄压力范围内的电阻和体积的空前下降。

来自罗切斯特大学和拉斯维加斯内华达大学(UNLV)的研究人员称,当一种由锰和硫化物组成的“粘稠”化合物(MnS2)被压缩在钻石砧中时,会发生不同寻常的事情。

“这是一种新型的电荷转移机制,所以从科学界的角度来看,这是非常非常令人兴奋的。我们展示了在非常、非常短的参数范围内显著的物理变化,在这个例子中是压力,”UNLV的物理学副教授Ashkan Salamat说。

例如,当压力增加时,软绝缘体MnS2会转变为金属状态,然后再次转变为绝缘体,研究人员在一篇被标记为编辑选择的论文中这样描述物理评论快报

“金属通常还是金属;罗切斯特大学机械工程和物理天文学助理教授Ranga Dias说。“这种材料从绝缘体到金属再回到绝缘体的情况非常罕见。”

此外,在极窄的压力变化范围内,这种转变伴随着前所未有的阻力和体积下降——所有变化都发生在80度左右华氏温度.萨拉马特说,相对较低的温度增加了金属过渡过程最终被用于技术的可能性。

在之前的论文中自然物理评论快报在美国,Dias和Salamat的合作为实现室温超导设定了新的基准。他们工作的共同特点是探索过渡金属和其他材料与硫化物配对,然后在钻石电池砧中压缩时的“非常奇怪”的行为方式。

萨拉马特说:“我们报道的新现象是高压下反应的一个基本例子,它将在物理教科书中占有一席之地。”“硫与其他元素结合时的行为非常有趣。这导致了一些显著的突破。”

迪亚斯和萨拉马特实验室取得的突破涉及压缩仅仅皮升的材料——大约是一个喷墨粒子的大小。

自旋和压力是金属剧烈转变的基础

Dias和Salamat解释说,在本文描述的跃迁的基础上,单个电子的自旋态(角动量)在压力作用下相互作用的方式。

当MnS2处于正常的绝缘体状态时,电子主要处于未成对的“高自旋”轨道中,导致原子积极地来回反弹。这导致材料对电荷有更高的电阻,因为单个电子试图通过材料的自由空间更小。

但随着压力的施加,材料被压缩到金属状态,电子轨道“开始看到对方,立即走向对方,电子对开始连接成一个,”萨拉马特说。

这为单个电子在材料中移动提供了更大的空间,以至于当压力从30吉帕斯卡(43.5万psi)增加到10吉帕斯卡时,电阻急剧下降了8个数量级。与超导材料所需的182至268吉帕斯卡相比,这是一个相对的“助推”。

“考虑到所涉及的压力范围很小,这种量级的阻力下降确实是巨大的,”Dias说。

即使在最后阶段,当MnS2恢复为绝缘体时,电阻仍然很低,因为电子仍然处于“低自旋”状态。

基础材料科学,未来技术进步

正如基础科学的新发现经常发生的那样,其可能的应用还有待探索。

然而,Salamat说,一种过渡金属,在相对少量的应变下,可以从一种状态跳到另一种状态——在室温下,同样多——很可能是有用的。

“你可以想象有一个逻辑开关或写入硬盘,在那里,应变或电压的非常、非常小的排列可以使某些东西从一种电子状态跳到另一种。新版本的闪存,或固态存储器,可以排列和采取一种新的方法使用这些类型的材料,”萨拉马特说。

“你可以进行相当大胆的操作,以300开尔文驱动这些材料,使它们在技术上有潜在的用处。”

参考文献:“负电荷转移绝缘体MnS中巨大的密度驱动电阻响应2”迪伦Durkee, Nathan Dasenbrock-Gammon g·亚历山大·史密斯,艾略特斯奈德,迪恩史密斯,基督教蔡尔兹,西蒙·a·J。Kimber, Keith V. Lawler, Ranga P. Dias和Ashkan Salamat, 2021年6月30日,物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.016401

第一作者迪伦·德基(Dylan Durkee)曾是萨拉马特实验室的本科生研究员,现在是迪亚斯的研究生。其他合著者包括罗切斯特大学的Nathan Dasenbrock-Gammon和Elliot Snider;拉斯维加斯大学的基思·劳勒、亚历山大·史密斯和克里斯蒂安·查尔兹;阿贡国家实验室的迪恩·史密斯和勃艮第大学的西蒙·a·j·金德。

美国国家科学基金会和能源部为这项研究提供了资金支持。UNLV国家超级计算研究所提供了计算资源,阿贡国家实验室和勃艮第大学完成了部分工作。

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