Legături neobișnuite între atomi reorganizează structura și magnetismul unui material pe bază de vanadiu
Legăturile chimice dintre atomii de metal vecini pot suferi modificări atunci când temperatura sau alte condiții se schimbă, ceea ce poate duce la comportamente electronice și magnetice neobișnuite. Un nou studiu asupra compusului Li₀.₅VS₂ arată că legăturile dintre atomii de vanadiu se pot reorganiza pe măsură ce materialul trece prin transformări structurale succesive, potrivit unui articol publicat în revista Chemistry of Materials.
Cercetarea a fost condusă de Keita Kojima, profesor asistent la Graduate School of Environment, Life, Natural Science and Technology din cadrul Universității Okayama, împreună cu profesorul Naoyuki Katayama de la aceeași universitate. Un studiu anterior arătase că Li₀.₅VS₂ este singura compoziție care prezintă două tranziții magnetice de fază distincte, în timp ce pentru valorile x de 0, 0,33 și 1 a fost observată o singură tranziție.
Trei faze, o singură stare metalică
Cercetătorii au identificat două tranziții magnetice de fază succesive, care au loc în apropierea temperaturilor de 345 K și 140 K. La temperaturi ridicate, atomii de vanadiu au o aranjare triunghiulară. La temperaturi intermediare, aceștia formează lanțuri în zigzag, iar materialul dezvoltă un răspuns magnetic mai localizat. La temperaturi scăzute, atomii de vanadiu se deplasează din nou, legăturile lor se reorganizează, iar răspunsul magnetic scade brusc. Măsurătorile de rezistivitate electrică au arătat că materialul rămâne metalic pe parcursul tuturor celor trei faze. Faza de temperatură intermediară este deosebit de neobișnuită, deoarece combină conductivitatea electrică cu un răspuns magnetic mai localizat.
Lanțuri în zigzag cu electroni lipsă
Măsurătorile structurale au ajutat la explicarea acestui comportament. În faza de temperatură intermediară, unii atomi de vanadiu se apropie între ei pentru a forma lanțuri în zigzag. Distanțele V–V se scurtează cu aproximativ 0,2 Å, ceea ce indică faptul că atomii încep să formeze legături. Totuși, nu există suficienți electroni pentru a umple complet toate aceste legături. Calculele indică faptul că aceste legături sigma, deficitare în electroni, sunt doar parțial ocupate. Această legătură neobișnuită permite formarea legăturilor V–V în timp ce materialul rămâne conductor electric.
Dimerii apar la temperaturi scăzute
La temperaturi scăzute, lanțurile în zigzag se descompun în perechi V–V mai localizate, cunoscute sub numele de dimeri. Schimbarea legăturilor este însoțită de o scădere bruscă a răspunsului magnetic, ceea ce indică faptul că momentele magnetice localizate prezente la temperaturi intermediare sunt aproape complet suprimate. Cu toate acestea, materialul rămâne metalic, deoarece unii electroni continuă să se deplaseze prin orbitalii de vanadiu care nu participă complet la legăturile dimerilor. Calculele computerizate au ajutat la explicarea acestor schimbări. Interacțiunile electron-electron contribuie la stabilizarea dimerilor V–V la temperaturi scăzute, în timp ce cuplajul Hund susține răspunsul magnetic al fazei de temperatură intermediară. Împreună, rezultatele leagă comportamentul magnetic al materialului de modificările modului în care electronii săi participă la legături.
Legăturile ca mecanism de reglare
Rezultatele arată că legăturile chimice pot juca un rol activ în modelarea proprietăților materialelor corelate. În Li₀.₅VS₂, legăturile V–V deficitare în electroni se reorganizează pe măsură ce materialul răspunde la temperatură, producând schimbări succesive în structura și comportamentul său magnetic, menținând în același timp conductivitatea metalică. Aceasta oferă un nou principiu de proiectare pentru materiale cuantice și funcționale, în care legătura chimică însăși ar putea fi folosită pentru a controla proprietățile electronice și magnetice.
„Pe termen lung, dacă stările de legătură și temperaturile de tranziție pot fi controlate prin compoziție chimică, substituție elementală sau presiune, mecanismul de bază ar putea oferi o bază pentru materiale ale căror proprietăți electrice și magnetice pot fi comutate în mai mulți pași. Astfel de materiale ar putea fi relevante pentru senzori viitori, dispozitive de comutare și alte materiale funcționale receptive”, a explicat Kojima.
În ansamblu, studiul arată că legăturile neobișnuite metal-metal se pot reorganiza în etape succesive pe măsură ce materialul este răcit, producând schimbări majore în structura și comportamentul său magnetic în timp ce continuă să conducă electricitatea. Rezultatele oferă un cadru pentru înțelegerea modului în care diferite aranjamente de legătură pot da naștere la stări electronice concurente în materialele corelate.
