Des choses remarquables se produisent lorsqu'un composé "spongieux" de manganèse et de sulfure (MnS 2 ) est comprimé dans une enclume en diamant, disent 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, " dit Ashkan Salamat, professeur agrégé de physique à l'UNLV.

Par exemple, à mesure que la pression augmente, MnS 2 , un isolant souple, passe à l'état métallique puis à nouveau à l'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 transformés en isolant, " dit Ranga Dias, professeur assistant 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 » des métaux de transition et d'autres matériaux de se comporter lorsqu'ils sont associés à des sulfures, puis compressé dans une enclume à alvéoles 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, " dit Salamat. " Il y a quelque chose de très intrigant 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 façon dont les états de spin (moment angulaire) des électrons individuels interagissent lorsque la pression est appliquée, Dias et Salamat expliquent.

Quand MnS 2 est dans son état normal d'isolant, les électrons sont principalement non appariés, orbitales "à spin élevé", faisant rebondir activement les atomes d'avant en arrière. 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, viennent immédiatement l'un vers l'autre, et des paires d'électrons commencent à se relier en un seul, " dit Salamat.

Cela ouvre plus d'espace pour que les électrons individuels se déplacent à travers le matériau, à tel point que la résistance chute considérablement de 8 ordres de grandeur, lorsque la pression est augmentée à partir 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, " dit Dias.

Une faible résistance est maintenue même dans la phase finale, lorsque le MnS 2 redevient un isolant, car les électrons restent dans un état de "faible spin".

Sciences fondamentales des matériaux, futures avancées technologiques

Comme cela arrive souvent avec les nouvelles découvertes en science fondamentale, les applications possibles doivent encore être explorées.

Cependant, Salamat dit, 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 écrire sur un disque dur, où un très, une très petite permutation de contrainte ou de tension pourrait faire passer quelque chose d'un état électronique à un autre. Nouvelles versions de mémoire flash, ou mémoire à semi-conducteurs, pourrait permuter et adopter une nouvelle approche en utilisant ces types de matériaux, " dit Salamat.

« Vous pouvez faire des manœuvres assez agressives pour conduire ces matériaux à 300 kelvins, ce qui les rend potentiellement utiles pour la technologie."

Auteur principal Dylan Durkee, un 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, Alexandre Smith, et Christian Childs à UNLV; Dean Smith au Laboratoire national d'Argonne, et Simon A.J. Maternelle à l'Université de Bourgogne.