As transições de fase têm sido de importância crucial para a pesquisa científica. A mudança de água para gelo ou vapor é um exemplo simples. Uma transição de fase importante para a pesquisa pioneira hoje é a do metal para o isolante em materiais conhecidos como "óxidos correlacionados". Os cientistas colheram muitos insights sobre fenômenos como supercondutividade e magnetismo estudando o que acontece quando um óxido correlacionado que conduz eletricidade com pouca ou nenhuma resistência (metal) muda para outro que não (isolante) como resultado de mudanças na temperatura, pressão, ou outros campos externos.

Em um artigo no jornal Natureza , Peter Littlewood, ex-diretor do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (2014-2017), e seus colegas propõem o quadro mais completo até o momento sobre a transição metal-isolante em óxidos de metal de transição. Esses óxidos correlacionados fascinaram os cientistas por causa de suas muitas propriedades eletrônicas e magnéticas atraentes.

"O ajuste e o controle dessa transição de metal-isolante tem sido a fonte de novas aplicações de física e materiais promissores, como microeletrônica ultrarrápida e de baixa energia, "disse Littlewood, atualmente é professor de física no James Franck Institute da University of Chicago, com uma nomeação conjunta na divisão de Ciência de Materiais da Argonne e Presidente Executivo da Faraday Institution.

Juntando-se a Littlewood neste projeto de pesquisa estavam Gian Guzmán-Verri e Richard Brierley. Guzmán-Verri começou a pesquisa como pós-doutorado em Argonne e agora é professor da Universidade da Costa Rica. Brierley realizou a pesquisa durante compromissos de pós-doutorado na University of Cambridge e na Yale University e agora é editor da Nature Communications.

"A forma como os cientistas no passado costumavam ajustar essa transição metal-isolante é adicionando elétrons, "Littlewood disse." Pesquisas ao longo de várias décadas por outros sugerem que ajustar o tamanho de um 'íon vegetal' inativo eletronicamente, mas estruturalmente importante, dentro da estrutura de cristal do óxido também tem um forte impacto na temperatura de transição. " a razão para este efeito não foi bem compreendida.

O tamanho do íon vegetal eletronicamente inativo pode alterar a temperatura na qual a transição metal-isolante ocorre de zero absoluto para bem acima da temperatura ambiente. Quanto mais alta a temperatura de transição e mais perto da temperatura ambiente, mais atraente é o material para aplicações práticas.

A pesquisa da equipe se concentrou em uma importante classe de óxido de metal de transição - as perovskitas. Junto com o oxigênio, esses óxidos combinam um íon eletronicamente ativo e o íon vegetal eletronicamente inativo. O último íon pode ser qualquer um dos muitos elementos de terras raras ou metais alcalino-terrosos. Como consequência, os cientistas podem escolher seu tamanho atômico para ser relativamente pequeno ou grande sem alterar a química relacionada.

O lado esquerdo da imagem anexa mostra a estrutura cristalina básica de um óxido de metal de transição perovskita. Cada célula unitária (losangos cinza) tem oito lados, com átomos de oxigênio (círculos vermelhos) situados nos seis vértices e o metal de transição (manganês ou níquel) escondido no centro. Os círculos verdes representam o íon vegetal, um metal de terra rara ou alcalino-terroso.

A chave para a descoberta fundamental dos autores é a determinação do efeito do tamanho das terras raras ou metais alcalino-terrosos. A variação do tamanho deste elemento altera o ângulo de inclinação introduzido nas unidades de oito lados, mostrado no lado direito da figura anexa. Por sua vez, aumentar o ângulo de inclinação resulta em várias distorções e movimentos nas unidades de oito lados, que pode esticar, encolher e girar como resultado de tensões internas.

"São as flutuações dinâmicas desses graus de liberdade elástica que são responsáveis ​​pelos efeitos térmicos observados, que ocorrem a temperaturas muito mais baixas do que as contabilizadas em modelos anteriores baseados puramente no íon eletronicamente ativo, "Disse Littlewood.

Com base no mecanismo acima, a equipe foi capaz de construir uma teoria que captura a relação entre o ângulo de inclinação induzido pelo tamanho do íon vegetal, a temperatura da transição metal-isolante e o grau de desordem na estrutura cristalina da perovskita. Cálculos relativamente simples com a teoria concordam bem com os resultados experimentais de zero absoluto a acima de 600 graus Fahrenheit.

"Importante, nosso estudo teórico se aplica não apenas a um único material, mas toda uma classe de materiais, e tem muitas aplicações possíveis, incluindo alguns programas de pesquisa em andamento e planejados em Argonne, "disse Littlewood.

Na área de pesquisa emergente de microeletrônica de próxima geração, por exemplo, A sintonia e o controle aprimorados da transição metal-isolante prometem um grande salto à frente em microeletrônica ultrarrápida e de baixa potência para computadores que simulam processos cerebrais.

Além disso, Os cientistas do programa de baterias de classe mundial de Argonne podem ser capazes de usar a teoria como inspiração para projetar melhores materiais de cátodo para baterias de íon-lítio de próxima geração. Parte da inspiração para a pesquisa da equipe de Littlewood foi a pesquisa pioneira de John Goodenough sobre a transição metal-isolante, muitas décadas atrás. Goodenough traduziu esse entendimento na inspiração para inventar a bateria de íons de lítio, e este ano ganhou o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho.

o Natureza artigo de Littlewood, Guzmán-Verri, e Richard Brierley é intitulado "Flutuações elásticas cooperativas fornecem ajuste da transição metal-isolador."