磷化钌中金属到绝缘体的转变机制提出了一种观察固体的新方法

日本名古屋大学的一个小组发现了一种前所未见的磷化钌，在其冷却状态下具有不寻常的原子和电子配置。这可能会解决金属如何在高温下是导体而在较低温度下是绝缘体的难题。

钌是一种稀有金属，属于铂族金属。作为一种化合物，磷化钌(RuP)因其稳定性和导电性而被广泛用作材料。RuP像金属一样在室温下导电。然而，2011年发现，当冷却到0°C以下时，它的电阻会增加，成为绝缘体。

当金属从高温下的金属相转变为低温下的绝缘相时，它从一种转变为另一种的点称为金属-绝缘体转变(MIT)。然而，RuP经历这种转变的机制一直存在争议。

“它已经被讨论了10多年，但对该机制尚未达成共识，”主要作者平井大五郎副教授解释说。“过渡的起源也一直是一个非常有趣的问题，特别是当这种过渡被抑制时出现超导性。”

由Hirai领导的小组与名古屋大学工学研究生院的NaoyukiKatayama副教授和学生KeitaKojima一起，研究了RuP在低温下的性质和晶体结构，以使用称为同步辐射X的技术阐明MIT的机制-射线衍射。他们在美国化学学会杂志上发表了他们的研究结果。

该小组发现，随着固体从金属变为绝缘体，在较高温度下发现的钌分子原子之间的均匀距离被调节。在低温下，晶体形成一种称为线性三聚体的结构，它看起来像一个花园格子，有一系列三角形排列，它们的最高点向上和向下指向并连接成一条直线。

RuP三聚体是一种与通常在固体中发现的分子不同的分子类型，在进入低温相时通过结合四个电子形成化学键。这可能有助于解决金属如何在高温下成为导体而在较低温度下成为绝缘体的难题。电子对于电流很重要，因此当这些电子被捕获以制造这些三重态分子时，它会阻碍电流的流动。

“我们发现，通过将三个分子原子连接成一条直线并捕获电子，钌从金属转变为绝缘体，”Hirai解释道。“新型分子由由四个电子连接的三个原子组成，而迄今为止在固体中发现的大多数分子是由两个由两个电子连接的原子组成的。分子有各种各样的形状和键合类型，但有固体中已知的变化很少。在RuP中发现的分子轨道很重要，因为它们表明分子形成存在多样性，即使在固体中也是如此。”

固体中分子的形成改变了它们的电学和光学性质，可应用于传感器和开关设备。但该团队的发现扩展了该研究方向。Hirai解释说：“发现各种类型的分子可以使用磁场、电场和应力场实现更快速的特性变化、更快的响应和分子控制。”

“分子轨道的形成显着改变了电导率，可以用作温度传感器。此外，由于分子轨道的形成显着改变了透光率，我们也在考虑根据温度改变透光率的智能窗户。”