El mecanismo de la transición metal-aislante en el fosfuro de rutenio sugiere una nueva forma de ver los sólidos

Un grupo de la Universidad de Nagoya en Japón ha descubierto una nueva forma de fosfuro de rutenio con una configuración inusual de átomos y electrones en estado enfriado. Esto puede resolver el enigma de cómo un metal puede ser un conductor a altas temperaturas, pero un aislante a temperaturas más bajas.

El rutenio es un metal raro que pertenece al grupo de los metales del platino. Como compuesto, el fosfuro de rutenio (RuP) se usa comúnmente como material debido a su estabilidad y conductividad. RuP actúa como un metal y conduce la electricidad a temperatura ambiente. Sin embargo, se descubrió en 2011 que cuando se enfría por debajo de 0°C, su resistencia eléctrica aumenta y se convierte en un aislante.

Cuando un metal experimenta la transición de su fase metálica a alta temperatura a la fase aislante a baja temperatura, el punto en el que pasa de una a otra se denomina transición de metal a aislante (MIT). Sin embargo, el mecanismo por el cual RuP experimenta esta transición ha sido controvertido.

«Se ha discutido durante más de 10 años, pero no hay consenso sobre el mecanismo», dice el autor principal, el profesor asociado Daigorou Hirai. «El origen de la transición también ha atraído un gran interés, especialmente porque la superconductividad aparece cuando se suprime esta transición».

Un grupo dirigido por Hirai, junto con el profesor asociado Naoyuki Katayama y el estudiante Keita Kojima de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Nagoya, estudiaron las propiedades y la estructura cristalina de RuP a bajas temperaturas para aclarar el mecanismo de MIT usando una técnica llamada radiación de sincrotrón X. -difracción de rayos. Publicaron sus resultados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense.

El grupo descubrió que la distancia uniforme entre las moléculas de rutenio encontradas a temperaturas más altas se modulaba a medida que el sólido pasaba de ser un metal a un aislante. A bajas temperaturas, el cristal forma una estructura llamada trímero lineal que se asemeja a un enrejado de jardín con una serie de triángulos dispuestos con sus puntos superiores apuntando hacia arriba y hacia abajo y atados en una fila recta.

Un tipo de molécula diferente a las que se encuentran típicamente en los sólidos, los trímeros de RuP forman enlaces químicos incorporando cuatro electrones cuando entran en la fase de baja temperatura. Esto puede ayudar a resolver el enigma de cómo un metal puede ser un conductor a altas temperaturas pero un aislante a altas temperaturas. temperaturas más bajas. Los electrones son importantes para el flujo de electricidad, por lo que cuando se capturan para hacer estas moléculas triplicadas, impiden el flujo de electricidad.

“Descubrimos que el rutenio cambia de metal a aislante al conectar tres átomos de moléculas en línea recta y capturar electrones”, dice Hirai. «El nuevo tipo de molécula se compone de tres átomos unidos por cuatro electrones, mientras que la mayoría de las moléculas encontradas en los sólidos hasta ahora se han formado por dos átomos unidos por dos electrones. Las moléculas vienen en una amplia variedad de formas y tipos de enlaces, pero hay poca variación conocida en los sólidos. Los orbitales moleculares que se encuentran en RuP son importantes porque muestran que hay diversidad en la formación molecular, incluso en los sólidos.

La formación de moléculas en sólidos, que transforma sus propiedades eléctricas y propiedades ópticas, se puede aplicar a sensores y dispositivos de conmutación. Pero los hallazgos del equipo amplían esta dirección de investigación. «Descubrir diversos tipos de moléculas puede permitir cambios más rápidos en las propiedades, respuestas más rápidas y control molecular utilizando campos magnéticos, eléctricos y de estrés», dice Hirai.

«La formación del orbital molecular cambia dramáticamente conductividad eléctrica, que se puede utilizar como sensor de temperatura. Además, desde la formación de orbitales moleculares cambia drásticamente la transmisión de luz, también estamos buscando ventanas inteligentes que cambien la transmisión de luz en función de la temperatura».