Dévoilement du mécanisme du metal-to-insul

Un groupe de l’Université de Nagoya au Japon a découvert une forme inédite de phosphure de ruthénium avec une configuration inhabituelle d’atomes et d’électrons à l’état refroidi. Cela peut résoudre l’énigme de savoir comment un métal peut être un conducteur à des températures élevées, mais un isolant à des températures plus basses.

Le ruthénium est un métal rare qui appartient au groupe de métaux du platine. En tant que composé, le phosphure de ruthénium (RuP) est couramment utilisé comme matériau en raison de sa stabilité et de sa conductivité. RuP agit comme un métal et conduit l’électricité à température ambiante. Cependant, il a été découvert en 2011 que lorsqu’il est refroidi en dessous de 0°C, sa résistance électrique augmente et il devient un isolant.

Lorsqu’un métal subit la transition de sa phase métallique à haute température à la phase isolante à basse température, le point où il passe de l’une à l’autre s’appelle la transition métal-isolant (MIT). Le mécanisme par lequel RuP subit cette transition, cependant, a été controversé. “Il a été discuté pendant plus de 10 ans, mais il n’y a pas de consensus sur le mécanisme”, explique l’auteur principal, le professeur agrégé Daigorou Hirai. “L’origine de la transition a également suscité un grand intérêt, d’autant plus que la supraconductivité apparaît lorsque cette transition est supprimée.”

Un groupe dirigé par Hirai, avec le professeur agrégé Naoyuki Katayama et l’étudiant Keita Kojima de la Graduate School of Engineering de l’Université de Nagoya, a étudié les propriétés et la structure cristalline du RuP à basse température pour clarifier le mécanisme du MIT en utilisant une technique appelée rayonnement synchrotron X -diffraction des rayons. Ils ont publié leurs résultats dans le Journal de l’American Chemical Society.

Le groupe a découvert que la distance uniforme entre les molécules de ruthénium trouvées à des températures plus élevées était modulée lorsque le solide passait d’un métal à un isolant. À basse température, le cristal forme une structure appelée trimère linéaire qui ressemble à un réseau de jardin avec une série de triangles disposés avec leurs points supérieurs pointant vers le haut et vers le bas et attachés en une rangée droite.

Un type de molécule différent de ceux que l’on trouve classiquement dans les solides, les trimères RuP forment des liaisons chimiques en incorporant quatre électrons lorsqu’ils entrent dans la phase à basse température. Cela peut aider à résoudre le casse-tête de la façon dont un métal peut être un conducteur à des températures élevées mais un isolant à des températures plus basses. Les électrons sont importants pour le flux d’électricité, donc lorsqu’ils sont capturés pour fabriquer ces molécules triplées, cela entrave le flux d’électricité.

“Nous avons découvert que le ruthénium passe d’un métal à un isolant en connectant trois atomes de molécules en ligne droite et en capturant des électrons”, explique Hirai. « Le nouveau type de molécule est composé de trois atomes reliés par quatre électrons, alors que la plupart des molécules trouvées dans les solides jusqu’à présent étaient composées de deux atomes reliés par deux électrons. Les molécules se présentent sous une grande variété de formes et de types de liaison, mais il existe peu de variations connues dans les solides. Les orbitales moléculaires trouvées dans RuP sont importantes en ce qu’elles montrent qu’il existe une diversité dans la formation moléculaire, même dans les solides.

La formation de molécules dans les solides, qui transforme leurs propriétés électriques et optiques, peut s’appliquer aux capteurs et aux dispositifs de commutation. Mais les découvertes de l’équipe élargissent cette direction de recherche. “La découverte de divers types de molécules peut permettre des changements plus rapides des propriétés, des réponses plus rapides et un contrôle moléculaire à l’aide de champs magnétiques, électriques et de stress”, explique Hirai. “La formation de l’orbitale moléculaire modifie considérablement la conductivité électrique, qui peut être utilisée comme capteur de température. De plus, étant donné que la formation d’orbitales moléculaires modifie également de manière significative la transmission de la lumière, nous envisageons également des fenêtres intelligentes qui modifient la transmission de la lumière en fonction de la température.

Cette recherche a été soutenue par Grant-in-Aid for Scientific Research (JP20H01858, JP22H01178) de la Japan Society for the Promotion of Science et par Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research Area Proposal Type) “Control and Function des cristaux liquides quantiques” (JP22H04462).

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