Рутений - редкий металл, относящийся к платиновой группе металлов. В качестве соединения фосфид рутения (RuP) обычно используется в качестве материала из-за его стабильности и проводимости. RuP действует как металл и проводит электричество при комнатной температуре. Однако в 2011 году было обнаружено, что при охлаждении ниже 0 °C его электрическое сопротивление увеличивается, и он становится изолятором.

Когда металл претерпевает переход из своей металлической фазы при высоких температурах в изолирующую фазу при более низких температурах, точка, в которой он переходит из одной фазы в другую, называется переходом металл-изолятор (MIT). Однако механизм, с помощью которого RuP претерпевает этот переход, был спорным. "Это обсуждается уже более 10 лет, но консенсуса по механизму нет", - объясняет ведущий автор, доцент Дайгоро Хираи. "Происхождение перехода также представляло большой интерес, особенно с учетом того, что сверхпроводимость возникает, когда этот переход подавляется".

Группа, возглавляемая Хираи, с адъюнкт-профессором Наоюки Катаямой и студентом Кейтой Кодзимой из Высшей инженерной школы Университета Нагои, исследовала свойства и кристаллическую структуру RuP при низких температурах, чтобы прояснить механизм MIT, используя метод, называемый рентгеновской дифракцией синхротронного излучения. Они опубликовали свои результаты в Журнал Американского химического общества.

Группа обнаружила, что равномерное расстояние между атомами молекул рутения, обнаруживаемое при более высоких температурах, модулировалось по мере того, как твердое вещество превращалось из металла в изолятор. При низких температурах кристалл образует структуру, называемую линейным триммером, которая выглядит как садовая решетка с рядом треугольников, расположенных так, что их верхние точки направлены вверх и вниз и прикреплены прямым рядом.

Молекулы другого типа, чем те, которые обычно встречаются в твердых телах, тримеры RuP образуют химические связи путем включения четырех электронов, когда они входят в низкотемпературную фазу. Это может помочь разрешить загадку о том, как металл может быть проводником при высоких температурах, но изолятором при более низких температурах. Электроны важны для потока электричества, поэтому, когда они захватываются для образования этих триплетных молекул, это препятствует потоку электричества.

"Мы обнаружили, что рутений превращается из металла в изолятор, соединяя атомы трех молекул по прямой линии и захватывая электроны", - объясняет Хираи. "Молекула нового типа состоит из трех атомов, соединенных четырьмя электронами, в то время как большинство молекул, обнаруженных в твердых телах до сих пор, состояли из двух атомов, соединенных двумя электронами. Молекулы бывают самых разнообразных форм и типов связей, но в твердых телах известно немного вариаций. Молекулярные орбитали, обнаруженные в RuP, важны тем, что они показывают, что существует разнообразие в молекулярном образовании, даже в твердых телах ".

Образование молекул в твердых телах, которое преобразует их электрические и оптические свойства, может быть применено к датчикам и коммутационным устройствам. Но выводы команды расширяют это направление исследований. "Открытие различных типов молекул может обеспечить более быстрые изменения свойств, более быстрые реакции и молекулярный контроль с использованием магнитных, электрических полей и полей напряжения", - объясняет Хираи. "Формирование молекулярной орбитали значительно изменяет электропроводность, которая может быть использована в качестве датчика температуры. Кроме того, поскольку образование молекулярных орбиталей также значительно изменяет коэффициент пропускания света, мы также рассматриваем умные окна, которые изменяют коэффициент пропускания света в зависимости от температуры ".

Это исследование было поддержано грантом в помощь научным исследованиям (JP20H01858, JP22H01178) от Японского общества содействия науке и грантом в помощь научным исследованиям в инновационных областях (Тип предложения по исследовательской области) "Управление и функционирование квантовых жидких кристаллов" (JP22H04462).