Como um composto de sulfeto de manganês é comprimido em uma célula de bigorna de diamante, ele passa por transições dramáticas. Nesta ilustração, a interação entre os íons atômicos manganês (Mn) (círculos roxos) e dissulfur (S 2 ) íons moleculares (figura 8s) aumentam da esquerda para a direita até que a sobreposição seja significativa o suficiente para tornar o sistema metálico. Crédito:Dean Smith, Argonne National Lab
Coisas notáveis acontecem quando um composto "mole" de manganês e sulfeto (MnS 2 ) é comprimido em uma bigorna de diamante, dizem pesquisadores da University of Rochester e da University of Nevada, Las Vegas (UNLV).
"Este é um novo tipo de mecanismo de transferência de carga, e assim, do ponto de vista da comunidade científica, isso é muito, muito exitante. Estamos mostrando notáveis transformações físicas ao longo de muito, intervalo muito curto de parâmetros, neste caso, pressão, "diz Ashkan Salamat, professor associado de física da UNLV.
Por exemplo, conforme a pressão aumenta, MnS 2 , um isolante macio, transições para um estado metálico e, em seguida, para um isolador novamente, os pesquisadores descrevem em um artigo sinalizado como escolha do editor em Cartas de revisão física .
"Os metais geralmente permanecem metais; é altamente improvável que eles possam ser transformados novamente em um isolante, "diz Ranga Dias, professor assistente de engenharia mecânica e de física e astronomia em Rochester. "O fato de que esse material vai de um isolante a um metal e de volta a um isolante é muito raro."
Além disso, as transições são acompanhadas por diminuições sem precedentes na resistência e no volume em uma faixa extremamente estreita de mudança de pressão - tudo ocorrendo a cerca de 80 graus Fahrenheit. A temperatura relativamente baixa aumenta as chances de que o processo de transição do metal possa eventualmente ser aproveitado para a tecnologia, Salamat diz.
Em artigos anteriores em Natureza e Cartas de revisão física , a colaboração de Dias e Salamat estabeleceu novos padrões para alcançar a supercondutividade em temperatura ambiente. Um denominador comum de seu trabalho é explorar as maneiras "notavelmente bizarras" como os metais de transição e outros materiais se comportam quando estão emparelhados com sulfetos, e então comprimido em uma bigorna de célula de diamante.
"Os novos fenômenos que estamos relatando são um exemplo fundamental de respostas sob alta pressão - e encontrarão um lugar nos livros de física, "Salamat diz." Há algo muito intrigante sobre como o enxofre se comporta quando está ligado a outros elementos. Isso levou a alguns avanços notáveis. "
Os avanços alcançados pelos laboratórios Dias e Salamat envolveram a compactação de meros picolitros de material - aproximadamente do tamanho de uma única partícula de jato de tinta.
Giro e pressão são a base da dramática transição do metal
Subjacente às transições descritas neste artigo estão a forma como os estados de spin (momento angular) de elétrons individuais interagem conforme a pressão é aplicada, Dias e Salamat explicam.
Coisas estranhas podem acontecer quando metais de transição e outros materiais são comprimidos em uma bigorna de diamante. Aqui, Ranga Dias possui uma matriz contendo células de bigorna de diamante. Crédito:Foto da Universidade de Rochester / J. Adam Fenster
Quando MnS 2 está em seu estado normal de isolante, elétrons estão principalmente em desemparelhados, orbitais de "alta rotação", fazendo com que os átomos saltem ativamente para frente e para trás. Isso faz com que o material tenha maior resistência a uma carga elétrica porque há menos espaço livre para elétrons individuais tentando passar através do material.
Mas conforme a pressão é aplicada - e o material é comprimido em direção a um estado metálico - os orbitais do elétron "começam a se ver, imediatamente vêm em direção um ao outro, e pares de elétrons começam a se ligar como um, "Salamat diz.
Isso abre mais espaço para os elétrons individuais se moverem através do material - tanto que a resistência cai drasticamente em 8 ordens de magnitude, à medida que a pressão aumenta de 3 gigapascais (435, 000 psi) a 10 gigapascais. Este é um "empurrão" relativo em comparação com os 182 a 268 gigapascais necessários para materiais supercondutores.
"Dada a pequena faixa de pressão envolvida, uma queda na resistência dessa magnitude é realmente enorme, "Diz Dias.
A baixa resistência é mantida mesmo na fase final - quando o MnS 2 reverte para um isolante - porque os elétrons permanecem em um estado de "baixo spin".
Ciência dos materiais básicos, futuros avanços tecnológicos
Como sempre ocorre com novas descobertas na ciência básica, as possíveis aplicações ainda precisam ser exploradas.
Contudo, Salamat diz, um metal de transição que, com uma quantidade relativamente pequena de tensão, pode pular de um estado para outro - em temperatura ambiente, nem menos - é provável que seja útil.
"Você pode imaginar ter um interruptor lógico ou disco rígido de gravação, onde muito, uma permutação muito pequena na deformação ou voltagem pode fazer algo pular de um estado eletrônico para outro. Novas versões de memória flash, ou memória de estado sólido, poderia permutar e assumir uma nova abordagem usando esses tipos de materiais, "Salamat diz.
"Você pode fazer manobras bastante agressivas para conduzir esses materiais a 300 Kelvin, tornando-os potencialmente úteis para a tecnologia. "
Autor principal Dylan Durkee, um ex-pesquisador de graduação no laboratório Salamat, agora está trabalhando como aluno de pós-graduação com Dias. Outros co-autores incluem Nathan Dasenbrock-Gammon e Elliot Snider em Rochester; Keith Lawler, Alexander Smith, e Christian Childs na UNLV; Dean Smith no Laboratório Nacional de Argonne, e Simon A.J. Kinder na Universidade da Borgonha.
