Mówią o tym przedstawiciele Uniwersytetu Okayama, którzy współpracowali z badaczami z Uniwersytetu Tokijskiego. Na czele zespołu stanął Keita Kojima, który zainteresował się Li₀,₅VS₂ ze względu na jego nietypowe zachowanie magnetyczne. Już wcześniejsze eksperymenty wykazały, iż jest to wyjątkowy skład materiału. W przeciwieństwie do innych podobnych związków wykazuje on aż dwa odrębne przejścia fazowe związane z magnetyzmem.
Czytaj też: Niezwykła obserwacja przemiany materii kwantowej. Elektrony niczym lód
Pierwsza zmiana zachodzi w temperaturze około 72 stopni Celsjusza. Druga następuje przy około minus 133 stopni Celsjusza. Pomiędzy tymi wartościami materiał znajduje się w stanie, który okazuje się wyjątkowo interesujący dla naukowców. W wysokiej temperaturze atomy wanadu tworzą układ przypominający trójkątną sieć. Gdy temperatura spada, struktura zaczyna się reorganizować. W fazie pośredniej atomy wanadu przesuwają się względem siebie i tworzą charakterystyczne zygzakowate łańcuchy. Odległość pomiędzy niektórymi sąsiadującymi atomami zmniejsza się o około 0,2 angstroma. To niewielka różnica, acz wystarczająca, by pomiędzy atomami zaczęły powstawać wiązania.
Najciekawsze jest to, że są to nietypowe wiązania metal-metal. Atomom wanadu brakuje jednak wystarczającej liczby elektronów, aby całkowicie wypełnić wszystkie powstające wiązania sigma. Są one więc tylko częściowo obsadzone elektronami. Taki stan pozwala jednocześnie tworzyć wiązania pomiędzy atomami i zachować przewodnictwo elektryczne.
Przy takim połączeniu dwóch pozornie sprzecznych właściwości sprawy przybierają bardzo ciekawy obrót. Materiał pozostaje metaliczny, lecz jego odpowiedź magnetyczna staje się bardziej zlokalizowana. Elektrony nie zachowują się więc wyłącznie jak swobodnie przemieszczające się nośniki ładunku – część z nich zaczyna uczestniczyć w bardziej lokalnych oddziaływaniach.
Jeszcze większa zmiana zachodzi po dalszym ochłodzeniu materiału. Zygzakowate łańcuchy rozpadają się na bardziej lokalne pary atomów wanadu, znane jak dimery. Zmiana sposobu tworzenia wiązań powoduje jednocześnie gwałtowny spadek odpowiedzi magnetycznej. Lokalne momenty magnetyczne obecne w fazie pośredniej ulegają niemal całkowitemu wygaszeniu.
Czytaj też: Fizycy ujarzmili biały grafen. To kompletna odwrotność słynnego materiału
Co ważne, również w tym stanie Li₀,₅VS₂ nie przestaje przewodzić prądu. Część elektronów nadal może przemieszczać się poprzez orbitale wanadu, które nie uczestniczą w pełni w tworzeniu dimerów. Materiał zachowuje więc metaliczny charakter pomimo głębokiej przebudowy swojej struktury elektronowej. Obliczenia komputerowe pomogły naukowcom wyjaśnić mechanizm stojący za tym zachowaniem. Oddziaływania pomiędzy elektronami sprzyjają stabilizacji dimerów wanadu w niskiej temperaturze, natomiast tak zwane sprzężenie Hunda odgrywa istotną rolę w magnetycznej odpowiedzi fazy pośredniej.
W ogólnym rozrachunku widzimy, iż wiązania chemiczne nie są jedynie biernym elementem określającym strukturę materiału. Mogą aktywnie zmieniać jego właściwości elektroniczne i magnetyczne. W przypadku Li₀,₅VS₂ kolejne konfiguracje wiązań pojawiają się wraz ze spadkiem temperatury, prowadząc do kilku różnych stanów materiału. Podobny mechanizm mógłby w przyszłości posłużyć do projektowania materiałów, których właściwości można kontrolować w kilku etapach.
Źródło: Chemistry of Materials
