Forskere opdager en usædvanlig ny type fasetransformation i et overgangsmetal

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har opdaget en usædvanlig ny type fasetransformation i overgangsmetallet zirconium. Mekanismen bag denne nye type faseovergang er den første af sin slags, der nogensinde er blevet observeret, og kunne kun ses ved anvendelse af meget høje tryk. Forskningen blev for nylig offentliggjort af Fysisk gennemgang B som en hurtig kommunikation.

Holdet udførte eksperimenter med en diamantamboltcelle, som komprimerede grundelementet zirconium til et tryk på mere end 200 gigapascal (GPa), lidt mere end halvdelen af ​​det tryk, der findes i jordens centrum. I flere årtier, det har været kendt, at zirconium omdannes til en kropscentreret kubisk (bcc) gitterstruktur ved tryk over 25 GPa. Det er ikke slutningen på historien, dog:Fortsæt med at komprimere zirconium ud over 58 GPa, og det vil gennemgå endnu en faseovergang, men, mærkeligt nok, atomgitteret vil forblive bcc.

"Selvom enkle systemer, såsom metalliske elementer, er blevet undersøgt under statisk kompression i mere end fem årtier, der er stadig uudforskede fysiske mekanismer involveret i deres strukturelle adfærd, " sagde Elissaios Stavrou, en medarbejder i Material Science Division ved LLNL og hovedforfatter af forskningen.

At have en førsteordens faseovergang, med ændringer i både volumen og entalpi, men forbliver i det samme gitter, er en mærkelig type faseovergang, der omtales som "isostrukturel". Forud for denne undersøgelse, det eneste grundstof i det periodiske system, der var kendt for at gennemgå en isostrukturel overgang, var cerium. Fasetransformationen i cerium er drevet af ændringer i den elektroniske struktur, der opstår ved kompression. I zirkonium, den isostrukturelle overgang sker ikke på grund af elektroniske ændringer, men i hvordan atomerne vibrerer.

Ifølge Stavrou, "førsteordens faseovergange under tryk er normalt forbundet med enten lavere entalpistrukturer eller elektroniske overgange. I dette arbejde, vi udfordrer denne intuition og fremhæver, at alternative mekanismer, såsom anharmonicitet, kunne udløse en sådan faseovergang selv ved stuetemperatur."

For at hjælpe med at optrevle mekanismen i spil, kvantemolekylære dynamiksimuleringer - meget intense beregninger, der løser Schrödinger-ligningen for kvantemekanik på linje med atomernes bevægelse på picosekunders tidsskala - afslørede, at zirkoniumgitterets vibrationstilstande gennemgår et pludseligt skift, da dets volumen reduceres af det påførte tryk , får faseovergangen til at ske på en måde, der er førsteordens.

"First-principles simuleringer giver et supplement til eksperimentel opdagelse ved hjælp af præcis kontrol af simuleringsbetingelserne. I dette tilfælde, vi var i stand til at udløse gitteranharmoniciteten i vores simuleringer og gav derfor en afklaring af mekanismen, der inducerer faseovergangen opdaget i disse eksperimenter, " forklarede fysiker Lin Yang, en ekspert i simulering af kvantemolekylær dynamik. Yang påpeger, at de simuleringer, der kræves for at observere denne mekanisme, er langt ud over, hvad forskere typisk er i stand til at undersøge.

"For at udløse anharmonicitetsmekanismen i gitterdynamikken, vi skulle køre meget lange simuleringer. Vi er heldige, at LLNL huser verdens mest kraftfulde supercomputere, der muliggør denne simuleringsskala, " sagde Yang.

Mest spændende, denne nylige opdagelse fremhæver muligheden for, at der er andre elementer i det periodiske system, der også kan have en anharmonisk drevet isostrukturel faseovergang som zirconium.

"Zirconium har en interessant adfærd, men i den store sammenhæng er det bare endnu et relativt simpelt overgangsmetal. Og stadigvæk, på trods af dets tilsyneladende enkelhed, vi observerer noget ret kompleks emergent adfærd ved højtryk. Hvem siger, at andre såkaldte simple metaller måske ikke også genererer betydelig kompleksitet? " sagde Jon Belof, en gruppeleder i Material Science Division på LLNL og projektleder for R&D af faseovergange under højtryk. "Nu hvor vi ved, at denne mekanisme eksisterer, vi ved, hvad vi skal kigge efter - kapløbet er nu i gang for resten af ​​højtrykssamfundet for at finde disse effekter andre steder i det periodiske system."