Kvanteffekt udløser usædvanlig materialeudvidelse

Du ved, hvordan du efterlader plads i en vandflaske, før du lægger det i fryseren - for at rumme det faktum, at vand udvider sig, når det fryser? De fleste metaldele i fly står over for det mere almindelige modsatte problem. I store højder (lave temperaturer) krymper de. For at forhindre en sådan krympning i at forårsage større katastrofer, ingeniører laver fly af kompositter eller legeringer, blanding af materialer, der har modsatte ekspansionsegenskaber for at balancere hinanden.

Ny forskning udført delvist ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory kan bringe en helt ny klasse af kemiske elementer ind i denne materialevidenskabsbalancegang.

Som beskrevet i et papir, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , forskere brugte røntgenstråler ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et amerikansk Department of Energy Office of Science brugerfacilitet-og to andre synkrotronlyskilder til at udforske et usædvanligt metal, der ekspanderer dramatisk ved lav temperatur. Forsøgene på samariumsulfid dopet med nogle urenheder afslørede detaljer om materialets struktur på atomniveau og elektronbaseret oprindelse af dets "negative termiske ekspansion."

Dette arbejde åbner muligheder for at designe nye materialer, hvor ekspansionsgraden præcist kan justeres ved at justere den kemiske opskrift. Det foreslår også et par relaterede materialer, der kan undersøges til metalblandingsapplikationer.

"I praktiske anvendelser, uanset om det er et fly eller en elektronisk enhed du vil lave legeringer af materialer med disse modsatte egenskaber - ting, der udvider sig på den ene side og krymper på den anden, når de køler ned, så i alt forbliver det det samme, "forklarede Daniel Mazzone, papirets hovedforfatter og en postdoktor ved NSLS-II og Brookhaven Labs afdeling for kondenseret materie i fysik og materialer.

Men materialer, der efterligner vandets ekspansion, når de er afkølet, er få og langt imellem. Og mens udvidelsen af ​​frysende vand er godt forstået, den dramatiske ekspansion af samariumsulfid var aldrig blevet forklaret.

Ligesom andre materialer har Mazzone undersøgt, denne samariumbaserede forbindelse (specifikt samariumsulfid med nogle yttriumatomer i stedet for et par samariumatomer) er kendetegnet ved konkurrerende elektroniske faser (noget analogt med det faste stof, væske, og gasformige faser af vand). Afhængigt af ydre forhold som temperatur og tryk, elektroner i materialet kan gøre forskellige ting. I nogle tilfælde, materialet er et guldfarvet metal, hvorigennem elektroner kan bevæge sig frit-en leder. Under andre forhold, det er en sort-farvet halvleder, tillader kun nogle elektroner at flyde.

Den gyldne metalliske tilstand er den, der ekspanderer dramatisk, når den køles ned, hvilket gør det til et yderst usædvanligt metal. Mazzone og hans kolleger vendte sig til røntgenstråler og teoretiske beskrivelser af elektronernes adfærd for at finde ud af hvorfor.

Ved NSLS-II's Par Distribution Function (PDF) beamline, forskerne gennemførte diffraktionsforsøg. PDF -strålelinjen er optimeret til undersøgelser af stærkt korrelerede materialer under en række eksterne forhold såsom lave temperaturer og magnetiske felter. Til dette eksperiment, holdet placerede prøver af deres samariummetal inde i en væske-helium-afkølet kryostat i strålen af ​​NSLS-II's røntgenstråler og målte, hvordan røntgenstrålerne sprang af atomer, der udgjorde materialets krystalstruktur ved forskellige temperaturer.

"Vi sporer, hvordan røntgenstrålerne hopper ud af prøven for at identificere placeringen af ​​atomer og afstandene mellem dem, "sagde Milinda Abeykoon, hovedforsker for PDF beamline. "Vores resultater viser, at når temperaturen falder, atomerne i dette materiale bevæger sig længere fra hinanden, får hele materialet til at ekspandere op til tre procent i volumen. "

Holdet brugte også røntgenstråler ved SOLEIL-synkrotronen i Frankrig og SPring-8-synkrotronen i Japan for at tage et detaljeret kig på, hvad elektroner lavede i materialet på forskellige stadier af den temperaturinducerede overgang.

"Disse eksperimenter med" røntgenabsorptionsspektroskopi "kan spore, om elektroner bevæger sig ind i eller ud af den yderste 'skal' af elektroner omkring samariumatomer, "forklarede den tilsvarende forfatter Ignace Jarrige, en fysiker ved NSLS-II.

Hvis du tænker tilbage på et af grundlæggende kemi, du husker måske, at atomer med ufyldte ydre skaller har tendens til at være de mest reaktive. Samariums ydre skal er lige knap halvfuld.

"Al fysik er i det væsentlige indeholdt i denne sidste skal, som ikke er fuld eller ikke tom, "Sagde Mazzone.

Elektron-sporingsrøntgenforsøgene afslørede, at elektroner, der strømmer gennem samariumsulfidmetallet, bevægede sig ind i den ydre skal omkring hvert samariumatom. Efterhånden som hvert atoms elektronsky voksede til at rumme de ekstra elektroner, hele materialet udvidet.

Men forskerne skulle stadig forklare adfærden baseret på fysikteorier. Ved hjælp af beregninger udført af Maxim Dzero, en teoretisk fysiker fra Kent State University, de var i stand til at forklare dette fænomen med den såkaldte Kondo-effekt, opkaldt efter fysiker Jun Kondo.

Den grundlæggende idé bag Kondo -effekten er, at elektroner vil interagere med magnetiske urenheder i et materiale, justere deres egne spins i den modsatte retning af den større magnetiske partikel for at "skærme ud, "eller annuller, dens magnetisme.

I materialet samariumsulfid, Dzero forklarede, den næsten halvfulde ydre skal af hvert samariumatom fungerer som en lille magnetisk urenhed, der peger i en bestemt retning. "Og fordi du har et metal, du finder også gratis elektroner, der kan nærme sig og annullere disse små magnetiske øjeblikke, "Sagde Dzero.

Ikke alle elementer, der er underlagt Kondo -effekten, har elektroner til at fylde den yderste skal, da det også kan gå den anden vej - får elektroner til at forlade skallen. Retningen bestemmes af en delikat energibalance dikteret af kvantemekanikkens regler.

"For nogle elementer, på grund af den måde, hvorpå den ydre skal fyldes op, det er mere energisk gunstigt for elektroner at bevæge sig ud af skallen. Men for et par af disse materialer, elektronerne kan bevæge sig ind, hvilket fører til ekspansion, "Sagde Jarrige. Ud over samarium, de to andre elementer er thulium og ytterbium.

Det ville være værd at undersøge forbindelser indeholdende disse andre elementer som yderligere mulige ingredienser til at skabe materialer, der ekspanderer ved afkøling, Sagde Jarrige.

Endelig, forskerne bemærkede, at omfanget af den negative termiske ekspansion i samariumsulfid kan indstilles ved at variere koncentrationen af ​​urenheder.

"Denne afstemning gør dette materiale meget værdifuldt til konstruktion af ekspansionsbalancerede legeringer, "Sagde Mazzone.

"Anvendelsen af ​​højt udviklet mangekropsteori-modellering var en vigtig del af arbejdet med at identificere forbindelsen mellem dette materialets magnetiske tilstand og dets volumenudvidelse, "sagde Jason Hancock, en samarbejdspartner ved University of Connecticut (UConn). "Dette samarbejde mellem Kent State, UConn, Brookhaven Lab, partnersynkrotroner, og syntesegrupper i Japan potentielt kunne guide nye materialer til at opdage nye materialer, der gør brug af disse usædvanlige egenskaber ved disse sjældne jordartsmaterialer. "