Høj temperatur ændrer en elementer elektronisk topologi

En Fermi -overflade til FeTi, viser de tilladte energitilstande, der kan optages af elektroner. Kredit:Fred Yang og Brent Fultz

Materialeforskere ved Caltech har opdaget en ny måde, hvorpå varme tilpasser et materiales fysiske egenskaber.

Eksperimenterer med en legering af jern og titanium (FeTi), et team ledet af Caltechs Brent Fultz fandt ud af, at stigende varme ændrer topologien på materialets Fermi -overflade - et abstrakt kort over de tilladte energitilstande, der kan optages af elektroner.

Fultz, Barbara og Stanley R. Rawn, Jr., Professor i materialevidenskab og anvendt fysik i afdelingen for teknik og anvendt videnskab, ligner en Fermi -overflade med en planet dækket af et glat hav og stenrige landmasser. Havet består af elektroner, mens landet repræsenterer hulrum, hvor elektroner ikke er til stede. Placering af et element under ekstremt pres - som det i Jordens kerne - kan få landformer til at lure lige under overfladen til at dukke op, til gengæld ændre hvor elektroner sandsynligvis vil blive fundet. Udseendet af disse nye funktioner på en Fermi -overflade kaldes en elektronisk topologisk overgang (ETT). Begrebet ETT blev foreslået af den russiske fysiker I. M. Lifshitz i 1960, og ETT'er er blevet observeret ved at udsætte metaller for tryk i størrelsesordenen 100, 000 atmosfærer.

Opvarmning får elektroner til at sluse rundt inden i Fermi -overfladen, men, som med bølger, der bevæger sig på vandet, kystlinjerne-grænserne mellem elektroner og elektronløse hulrum-forbliver omtrent de samme. Imidlertid, Fultz og hans kolleger bemærkede, at fordi varme også fortrænger atomer, opvarmning kan i nogle tilfælde afsløre landformer, der er skjult under overfladen af det metaforiske Fermi -hav.

Rent praktisk, ændring af topologien på Fermi -overfladen ændrer de kemiske egenskaber af et metal eller en legering, som igen ændrer sin elektriske ledningsevne.

Kredit:California Institute of Technology

Den potentielle værdi for ingeniører ligger i, at det er meget lettere at hæve temperaturen på et materiale, end det er at placere det under den slags tryk, der er nødvendigt for at tvinge en ETT. "Det pres, der er nødvendigt for at forårsage en ETT, er intens, mens de nødvendige temperaturændringer er forholdsvis lave, "siger Fultz. Faktisk, gigapascal tryk er påkrævet for at forårsage et ETT - det vil sige titusinder af gange trykket fra Jordens atmosfære. Imidlertid, Fultz og hans kolleger bemærkede ETT'er, der forekommer inden for hundredvis af grader Fahrenheit af temperaturændringer.

Opdagelsen var noget af en ulykke - et resultat af beregningsmæssigt at jagte unormale resultater ned, mens man udførte neutronspredningstest på en FeTi -legering, der er interessant for ingeniører, fordi den er bemærkelsesværdig stærk og strækbar.

Neutronspredning afslører detaljer om et materiales atomstruktur. I metoden, en stråle af neutroner affyres mod et materiale, og de spredte neutroners energier og vinkler registreres og analyseres. I særdeleshed, Fultzs gruppe brugte neutronspredning til at studere vibrationer af atomer i krystaller, som næsten altid bevæger sig og summer lidt. Forskerne fandt ud af, at med stigende temperaturer, de specifikke summende mønstre ændrede sig dramatisk på en måde, der ikke kunne forklares ved hjælp af kendte mekanismer.

Caltech -kandidatstuderende Fred Yang (MS '15), hovedforfatter til et papir om opdagelsen i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , kørte adskillige computersimuleringer, der foreslog, at den temperaturrelaterede ændring kunne forklares af en ETT i FeTi.

Næste, Fultz og Yang planlægger at udforske andre elementer med funktioner, der lurer lige under deres Fermi -overflader.

Sidste artikelChok i det tidlige univers kan være påviselige i dag

Næste artikelÆndring af halvlederegenskaber ved stuetemperatur