Titaniumatom, der findes to steder på én gang i krystal, skyld i usædvanligt fænomen

Det krystallinske faste BaTiS ₃ (bariumtitansulfid) er frygtelig til at lede varme, og det viser sig, at et egensindigt titaniumatom, der findes to steder på samme tid, er skyld i det.

Opdagelsen, lavet af forskere fra Caltech, USC, og Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), blev offentliggjort den 27. november i tidsskriftet Naturkommunikation . Det giver en grundlæggende indsigt på atomniveau i en usædvanlig termisk egenskab, der er observeret i flere materialer. Arbejdet er af særlig interesse for forskere, der undersøger den potentielle anvendelse af krystallinske faste stoffer med dårlig varmeledningsevne i termoelektriske applikationer, hvor varme omdannes direkte til elektrisk energi og omvendt.

"Vi har fundet ud af, at kvantemekaniske effekter kan spille en enorm rolle ved indstilling af materialers termiske transportegenskaber, selv under velkendte forhold som stuetemperatur, "siger Austin Minnich, professor i maskinteknik og anvendt fysik ved Caltech og co-tilsvarende forfatter af Naturkommunikation papir.

Krystaller er normalt gode til at lede varme. Per definition, deres atomstruktur er stærkt organiseret, som tillader atomvibrationer - varme - at strømme igennem dem som en bølge. Briller, på den anden side, er forfærdelige til at lede varme. Deres indre struktur er uorden og tilfældig, hvilket betyder, at vibrationer i stedet hopper fra atom til atom, når de passerer igennem.

BaTiS ₃ tilhører en klasse af materialer kaldet Perovskite-relaterede chalcogenider. Jayakanth Ravichandran, en adjunkt i USC Viterbi's Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, og hans team har undersøgt dem for deres optiske egenskaber og for nylig begyndt at studere deres termoelektriske applikationer.

"Vi havde en anelse om, at BaTiS ₃ vil have lav varmeledningsevne, men værdien var uventet lav. Vores undersøgelse viser en ny mekanisme til opnåelse af lav varmeledningsevne, så det næste spørgsmål er, om elektronerne i systemet flyder problemfrit i modsætning til varme for at opnå gode termoelektriske egenskaber, ”siger Ravichandran.

Teamet opdagede, at BaTiS ₃ , sammen med flere andre krystallinske faste stoffer, besad "glaslignende" varmeledningsevne. Ikke alene er dets varmeledningsevne sammenlignelig med dem i uordnede briller, det bliver faktisk værre, når temperaturen falder, hvilket er det modsatte af de fleste materialer. Faktisk, dets varmeledningsevne ved kryogene temperaturer er blandt de værste, der nogensinde er observeret i et helt tæt (ikke -porøst) fast stof.

Teamet fandt ud af, at titaniumatomet i hver BaTiS3-krystal eksisterer i det, der er kendt som et dobbeltbrøndspotentiale-det vil sige, der er to rumlige steder i atomstrukturen, hvor atomet ønsker at være. Titanatomet, der findes to steder på samme tid, giver anledning til det, der er kendt som et "to-niveau system". I dette tilfælde, titaniumatomet har to tilstande:en grundtilstand og en ophidset tilstand. Passerende atomvibrationer absorberes af titaniumatomet, som går fra jorden til den ophidsede tilstand, falder derefter hurtigt tilbage til grundtilstanden. Den absorberede energi udsendes i form af en vibration og i en tilfældig retning.

Den samlede effekt af denne absorption og udsendelse af vibrationer er, at energi spredes frem for rent overført. En analogi ville være at skinne et lys gennem et frostet glas, med titanatomer som frosten; indgående bølger afbøjer af titanen, og kun en del kommer igennem materialet.

To-niveau systemer har længe været kendt for at eksistere, men dette er den første direkte observation af en, der var tilstrækkelig til at forstyrre varmeledning i et enkelt krystalmateriale over et udvidet temperaturområde, målt her mellem 50 og 500 Kelvin.

Forskerne observerede effekten ved at bombardere BaTiS ₃ krystaller med neutroner i en proces kendt som uelastisk spredning ved hjælp af Spallation Neutron Source ved ORNL. Når de passerer gennem krystallerne, neutronerne får eller mister energi. Dette indikerer, at energi i nogle tilfælde absorberes fra et system på to niveauer og overføres til dem i andre.

"Det tog reelt detektivarbejde at løse dette mysterium om titanatomernes struktur og dynamik. Først så det ud til, at atomerne bare var stillingsforstyrrede, men overfladiskheden af ​​den potentielle brønd betød, at de ikke kunne blive i deres positioner meget længe, "siger Michael Manley, seniorforsker ved ORNL og medkorresponderende forfatter af Naturkommunikation papir. Det var da Raphael Hermann, forsker ved ORNL, foreslog at foretage kvanteberegninger for den dobbelte brønd. "Atomer kan tunnelere er velkendt, selvfølgelig, men vi forventede ikke at se det ved så høj en frekvens med et så stort atom i en krystal. Men kvantemekanikken er klar:hvis barrieren mellem brøndene er lille nok, så er en sådan højfrekvent tunnel virkelig mulig og bør resultere i stærk fononspredning og dermed glaslignende varmeledningsevne, "Siger Manley.

Den konventionelle tilgang til at skabe krystallinske faste stoffer med lav varmeledningsevne er at skabe en masse defekter i disse faste stoffer, hvilket er skadeligt for andre egenskaber såsom elektrisk ledningsevne. Så, en metode til at designe krystallinske materialer med lav termisk ledningsevne uden nogen skade for elektriske og optiske egenskaber er yderst ønskelig til termoelektriske anvendelser. En lille håndfuld krystallinske faste stoffer udviser den samme dårlige varmeledningsevne, så planlægger teamet derefter at undersøge, om dette fænomen også er skyld i disse materialer.