Orbitalordre udløser nukleationsvækstadfærd af elektroner i et uorganisk fast stof

En ny undersøgelse af forskere fra Waseda University og University of Tokyo fandt ud af, at orbitalbestilling i en vanadatforbindelse udviser en klar nukleationsvækstadfærd.

"Vi mener, at dette er den første observation af sin art, hvor elektroner i et uorganisk fast stof skabte to bløde faser, der ligner damp og vand, og hvor en nukleationsvækstadfærd blev observeret på grund af overfladespændingen mellem faserne, "siger Takuro Katsufuji, professor i fysiske videnskaber ved Waseda University og hovedforsker i dette studie.

Forskerne offentliggjorde deres peer-reviewed fund i Naturkommunikation den 11. maj, 2020.

Når vanddamp kondenserer, dampen bliver til dug, når vandkerner dannes og vokser, overgangsfaser fra gas til væske. Denne dannelse og vækst af kernerne kaldes nukleations-vækstprocessen, og det forekommer i forskellige former for faseovergange.

Selvom faseovergange også forekommer i faste stoffer, en nukleationsvækstadfærd er aldrig blevet observeret under elektronbaserede faseovergange i uorganiske materialer. Den mest sandsynlige forklaring er, fordi der skal være overfladespænding for at denne adfærd kan forekomme, men de hårde faste stoffer kunne kun skabe ubetydelig overfladespænding sammenlignet med en masseelastisk energi.

I deres undersøgelse, Katsufuji og hans team brugte vanadatforbindelsen BaV ₁₀ O ₁₅ , et oxid med vanadium og barium. Tidligere har de fandt ud af at ved 130K, eller cirka -140 ° C, retningen af ​​orbitaler i besiddelse af vanadiumets elektroner flugter, udløser en faseovergang kendt som orbitalorden i denne forbindelse.

"Ved dette, hvad vi gjorde i vores nylige undersøgelse var at delvist erstatte vanadium med titanium, et kemisk element placeret til venstre for vanadium på det periodiske system, at kontrollere overgangstemperaturen for orbitalordren, "Katsufuji forklarer." Vi afslørede, at nukleationsvækstprocessen skete ved at måle den tidsafhængighed af den elektriske resistivitet, magnetisk modtagelighed, og belastningen i orbitalrækkefølgen af ​​dette vanadat, og opdagede, at elektronerne havde skabt to damp-vandlignende bløde faser i dette organiske faste stof, og at der var overfladespænding mellem de to faser. "

I fortiden, metoder til opnåelse af ønskelige egenskaber med tofaset sameksistens i faste stoffer er blevet testet med forskellige materialer og anordninger, men i de fleste tilfælde, det har været svært at kontrollere volumenforholdet og formerne for de to faser. Imidlertid, det forventes, at for disse nyopdagede bløde faser, styring af volumenforholdet og dets former kunne gøres lettere. Også, BaV ₁₀ O ₁₅ er kendt for sin fremragende ydeevne som et termoelektrisk materiale, der kan generere elektricitet fra temperaturforskelle, hvilket gør denne forbindelse med to faser, der eksisterer samtidigt, til et attraktivt materiale.

Katsufuji tilføjer, "Grunden til, at nukleations-vækstproces forekommer i BaV ₁₀ O ₁₅ skyldes, at overfladespændingen mellem de to faser er ret stor som følge af koblingen af ​​frihedsgrader, der kaldes orbitaler og spinder i elektroner. Vi håber at få forskningen videre fra det perspektiv, at dette er et nyt fænomen, der stammer fra sådanne koblede grader af elektroners frihed. "

Forskerne planlægger at måle forskellige fysiske mængder af vanadatforbindelsen i en tilstand, hvor de to faser sameksisterer og forstår, hvordan dets fysiske egenskaber kan ændre sig, samt hvordan dets egenskaber kan forbedres som et funktionelt materiale. Yderligere, BaV ₁₀ O ₁₅ er det første materiale som en uorganisk forbindelse, hvor nukleations-vækstproces blev observeret, men det vil være nødvendigt at finde ud af, om der er andre materialer, der udviser kimdannelses-vækstadfærd.