Sous pression, le Sulfure de manganèse réagit de manière remarquable

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Une équipe de chercheurs a observé une transformation inhabituelle de la matière sous une pression incroyablement élevée. Les scientifiques ont capturé le matériau, qui comprend du Sulfure de manganèse, passant d’une forme non conductrice douce à un métal et vice-versa. Cette découverte inattendue mais cruciale signifie que les fabricants pourraient voir un avenir pour cette transition sous la forme de nouveaux composants, éventuellement pour des interrupteurs marche-arrêt ou des fils conducteurs, afin de fournir des appareils électroniques plus performants, selon l’équipe de l’Université du Nevada Las Vegas (UNLV) et l’Université de Rochester.


De gauche à droite, cette image montre la densité de charge dans le manganèse avec du sulfure évoluant à des pressions de 0 à 40 gigapascals. © Dean Smith/Argonne National Laboratory et Keith Lawler/Université du Nevada à Las Vegas.

Durkee était responsable de la majeure partie de la préparation des échantillons de matériaux à l’intérieur d’un appareil portatif appelé cellule à enclume de diamant – essentiellement deux diamants qui retiennent un échantillon entre eux et appliquent une pression extrême. Il a également effectué des mesures pour déterminer les structures atomiques des échantillons. Dans sa forme originale, ce matériau ne conduit pas l’électricité. Mais à mesure que la pression augmente, le matériau se transforme en un métal conducteur, puis de nouveau, a déclaré Durkee, l’auteur principal de l’article de l’équipe de recherche, publié en tant que choix de l’éditeur dans Physical Review Letters.

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Ce qui est extraordinaire dans ces expériences, c’est l’apparence physique du matériau alors qu’il est dans son état métallique, a déclaré Durkee. “Nous pensons généralement que les métaux sont brillants et réfléchissants, ce qui est vrai pour presque tous les métaux à pression et température ambiantes”, a déclaré Durkee. “Fait intéressant, celui-ci reste d’une couleur noirâtre-rougeâtre alors qu’il est métallique sous pression, ce qui va à l’encontre de notre compréhension intuitive des métaux. De plus, il conserve une couleur similaire après s’être transformé en métal. Ces apparences physiques montrent les nuances associées aux métaux et aux non-métaux”.

La transformation est intéressante du point de vue de la science fondamentale, mais aussi d’un point de vue plus général, car les matériaux subissent souvent des changements dramatiques sous pression, a déclaré Durkee. “La pression n’est pas un paramètre pour lequel nous avons une intuition naturelle, donc ces types d’expériences conduisent à des résultats surprenants et passionnants”, a déclaré Durkee. Dean Smith, physicien adjoint à la division des sciences des rayons X d’Argonne, et Ashkan Salamat, professeur agrégé à l’UNLV, ont effectué des expériences de rayons X sur l’échantillon à haute pression à l’Advanced Photon Source (APS).

“Nous avons utilisé l’APS pour garder un œil sur le cristal pendant que nous appliquions une pression”, a déclaré Smith. “Nous avons observé l’arrangement des atomes dans le matériau pour confirmer que les changements sous pression se produisaient dans la même structure et n’étaient dus à aucun réarrangement qui pourrait se produire sous cette pression. Sans l’APS, nous ne pouvions pas confirmer que tout se passait dans la même structure”. Pendant son séjour à l’APS, Salamat a déclaré que les échantillons étaient soumis à des pressions comparables à un demi-million de fois les pressions atmosphériques.

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“Nos échantillons étaient incroyablement petits, un dixième de la largeur d’un cheveu humain, et nous avons utilisé la lumière incroyablement brillante de l’APS pour pouvoir voir comment les atomes sont disposés dans nos matériaux”, a déclaré Salamat. “En utilisant les capacités de diffraction de l’APS, nous avons pu observer la façon dont la structure de notre matériau a changé avec les changements de pression”.

“Cette information était importante, car les résultats de mes expériences de spectroscopie suggèrent que l’échantillon devient soit amorphe (sans forme) soit métallique sous pression”, a déclaré Durkee. “Le fait que les données radiographiques extraites de l’échantillon montrent une cristallinité apporte une preuve supplémentaire de sa métallisation sous pression, plutôt que de l’amorphisation (sans forme ou forme claire)”.

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 lorsqu’une pression est appliquée, expliquent Dias et Salamat. Lorsque le Sulfure de manganèse 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.

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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. Il s’agit d’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 Sulfure de manganèse redevient un isolant – car les électrons restent dans un état de «faible spin».

Science fondamentale des matériaux, futures avancées technologiques

“Une grande partie de la recherche à haute pression que nous menons est de la recherche fondamentale”, a déclaré Dylan Durkee, doctorant à Rochester qui a dirigé l’expérience alors qu’il était étudiant à l’UNLV. “Cependant, on pourrait imaginer une mémoire de nouvelle génération appareils qui tirent parti des transitions de phase spectaculaires dans des matériaux comme celui-ci sous pression”. Les expériences ont été réalisées au Laboratoire national d’Argonne du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) à l’aide de l’Advanced Photon Source (APS).

Citation

Dylan Durkee, Nathan Dasenbrock-Gammon, G. Alexander Smith, Elliot Snider, Dean Smith, Christian Childs, Simon A. J. Kimber, Keith V. Lawler, Ranga P. Dias, and Ashkan Salamat. “Colossal Density-Driven Resistance Response in the Negative Charge Transfer Insulator MnS2. Phys. Rev. Lett. 127, 016401 – Published 30 June 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.016401

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