Bryde dårlige metaller med neutroner

Ved at udnytte neutroners egenskaber til at undersøge elektroner i et metal, et team af forskere under ledelse af det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory har fået ny indsigt i opførsel af korrelerede elektronsystemer, som er materialer, der har nyttige egenskaber såsom magnetisme eller superledning.

Forskningen, der skal offentliggøres i Videnskab , viser, hvor godt forskere kan forudsige materialers egenskaber og funktionalitet, giver os mulighed for at udforske deres potentiale til at blive brugt på nye måder.

"Vores mission fra Department of Energy er at opdage og derefter forstå nye materialer, der kan danne grundlag for helt nye applikationer, "sagde hovedforfatter Ray Osborn, en seniorforsker i Argonnes Neutron and X-ray Scattering Group.

Osborn og hans kolleger studerede et stærkt korreleret elektronsystem (CePd ₃ ) ved hjælp af neutronspredning for at overvinde begrænsningerne ved andre teknikker og afsløre, hvordan forbindelsens elektriske egenskaber ændres ved høje og lave temperaturer. Osborn forventer, at resultaterne vil inspirere til lignende forskning.

"At være i stand til at forudsige elektroners adfærd, når temperaturerne ændrer sig, bør tilskynde til en meget mere ambitiøs kobling af eksperimentelle resultater og modeller, end man tidligere har forsøgt, "Sagde Osborn.

"I mange metaller, vi anser de mobile elektroner, der er ansvarlige for elektrisk ledning, for at bevæge sig uafhængigt af hinanden, kun svagt påvirket af elektron-elektron frastødning, "sagde han." Dog, der er en vigtig klasse materialer, hvor elektron-elektron-interaktioner er så stærke, at de ikke kan ignoreres. "

Forskere har undersøgt disse stærkt korrelerede elektronsystemer i mere end fem årtier, og en af ​​de vigtigste teoretiske forudsigelser er, at elektroninteraktioner ved høje temperaturer forårsager tilfældige udsving, der hindrer deres mobilitet.

"De bliver til" dårlige "metaller, "Sagde Osborn. Men ved lave temperaturer, de elektroniske excitationer begynder at ligne dem for normale metaller, men med meget reducerede elektronhastigheder.

Eksistensen af ​​denne crossover fra usammenhængende tilfældige udsving ved høj temperatur til sammenhængende elektroniske tilstande ved lav temperatur var blevet postuleret i 1985 af en af ​​medforfatterne, Jon Lawrence, professor ved University of California, Irvine. Selvom der er nogle beviser for det i fotoemissionsforsøg, Argonne-medforfatter Stephan Rosenkranz bemærkede, at det er meget svært at sammenligne disse målinger med realistiske teoretiske beregninger, fordi der er for mange usikkerheder ved modellering af de eksperimentelle intensiteter.

Holdet, hovedsagelig baseret på Argonne og andre DOE -laboratorier, viste, at neutroner sonde elektronerne på en anden måde, der overvinder begrænsningerne ved fotoemissionsspektroskopi og andre teknikker.

Gør dette arbejde muligt er fremskridt inden for neutronspektroskopi ved DOE's Spallation Neutron Source (SNS) ved Oak Ridge National Laboratory, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og Det Forenede Kongeriges ISIS Pulsed Neutron Source, som tillader omfattende målinger over en lang række energier og momentumoverførsler. Begge spillede kritiske roller i denne undersøgelse.

"Neutroner er absolut afgørende for denne forskning, "Sagde Osborn." Spredning af neutroner er den eneste teknik, der er følsom over for hele spektret af elektroniske udsving i fire dimensioner af momentum og energi, og den eneste teknik, der pålideligt kan sammenlignes med realistiske teoretiske beregninger på en absolut intensitetsskala. "

Med denne undersøgelse, disse fire-dimensionelle målinger er nu blevet direkte sammenlignet med beregninger ved hjælp af nye beregningsteknikker specielt udviklet til stærkt korrelerede elektronsystemer. Teknikken, kendt som Dynamical Mean Field Theory, definerer en måde at beregne elektroniske egenskaber, der omfatter stærke elektron-elektron-interaktioner.

Osborn anerkendte bidragene fra Eugene Goremychkin, en tidligere Argonne -videnskabsmand, der ledede dataanalysen, og Argonne teoretiker Hyowon Park, der udførte beregningerne. Aftalen mellem teori og eksperimenter var "virkelig bemærkelsesværdig, "Sagde Osborn.

Ser frem til, forskere er optimistiske med hensyn til at lukke kløften mellem resultaterne af fysiske eksperimenter med kondenseret stof og teoretiske modeller.

"Hvordan kommer du til et stadie, hvor modellerne er pålidelige?" Sagde Osborn. "Dette papir viser, at vi nu teoretisk set kan modellere selv ekstremt komplekse systemer. Disse teknikker kunne fremskynde vores opdagelse af nye materialer."