Materiaalwetenschappers van Caltech hebben een nieuwe manier ontdekt waarop warmte de fysieke eigenschappen van een materiaal aanpast.

Experimenteren met een legering van ijzer en titanium (FeTi), een team onder leiding van Caltech's Brent Fultz ontdekte dat toenemende hitte de topologie van het Fermi-oppervlak van het materiaal verandert - een abstracte kaart van de toegestane energietoestanden die door elektronen kunnen worden ingenomen.

Fultz, de Barbara en Stanley R. Rawn, jr., Hoogleraar Materials Science and Applied Physics bij de afdeling Engineering and Applied Science, vergelijkt een Fermi-oppervlak met een planeet bedekt door een gladde oceaan en rotsachtige landmassa's. De oceaan bestaat uit elektronen, terwijl het land holtes vertegenwoordigt waar geen elektronen aanwezig zijn. Door een element onder extreme druk te plaatsen - zoals dat in de kern van de aarde - kan landvormen die net onder het oppervlak op de loer liggen, ontstaan, op zijn beurt veranderen waar elektronen waarschijnlijk worden gevonden. Het verschijnen van deze nieuwe kenmerken in een Fermi-oppervlak wordt een elektronische topologische overgang (ETT) genoemd. Het concept van een ETT werd in 1960 voorgesteld door de Russische natuurkundige I.M. Lifshitz, en ETT's zijn waargenomen door metalen te onderwerpen aan drukken in de orde van 100, 000 sferen.

Verwarming zorgt ervoor dat elektronen rondklotsen in het Fermi-oppervlak, maar, zoals met golven die op water bewegen, de kustlijnen - de grenzen tussen elektronen en elektronenloze holtes - blijven ongeveer hetzelfde. Echter, Fultz en zijn collega's merkten op dat omdat warmte ook atomen verdringt, verwarming kan in sommige gevallen landvormen onthullen die verborgen zijn onder het oppervlak van die metaforische Fermi-zee.

In praktische termen, het veranderen van de topologie van het Fermi-oppervlak verandert de chemische eigenschappen van een metaal of legering, die op zijn beurt zijn elektrische geleidbaarheid verandert.

De potentiële waarde voor ingenieurs ligt in het feit dat het veel gemakkelijker is om de temperatuur van een materiaal te verhogen dan om het onder het soort druk te brengen dat nodig is om een ​​ETT te forceren. "De druk die nodig is om een ​​ETT te veroorzaken is intens, terwijl de benodigde temperatuurveranderingen relatief laag zijn, " zegt Fultz. Inderdaad, gigapascal druk zijn vereist om een ​​ETT te veroorzaken, dat wil zeggen, tienduizenden keren de druk van de aardatmosfeer. Echter, Fultz en zijn collega's merkten ETT's op die plaatsvonden binnen honderden graden Fahrenheit van temperatuurverandering.

De ontdekking was een beetje een ongeluk - het resultaat van het computationeel achtervolgen van afwijkende resultaten tijdens het uitvoeren van neutronenverstrooiingstests op een FeTi-legering die van belang is voor ingenieurs omdat deze opmerkelijk sterk en rekbaar is.

Neutronenverstrooiing onthult details over de atomaire structuur van een materiaal. Bij de methode, een bundel neutronen wordt op een materiaal afgevuurd en de energieën en hoeken van de verstrooide neutronen worden geregistreerd en geanalyseerd. Vooral, Fultz' groep gebruikte neutronenverstrooiing om de trillingen van atomen in kristallen te bestuderen, die bijna altijd licht bewegen en zoemen. De onderzoekers vonden dat, met stijgende temperaturen, de specifieke patronen van zoemen veranderden drastisch op een manier die niet verklaard kon worden door bekende mechanismen.

Caltech afgestudeerde student Fred Yang (MS '15), hoofdauteur van een paper over de ontdekking die in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven , voerde talloze computersimulaties uit die suggereerden dat de temperatuurgerelateerde verandering kon worden verklaard door een ETT in FeTi.

Volgende, Fultz en Yang zijn van plan om andere elementen te verkennen met functies die net onder hun Fermi-oppervlakken op de loer liggen.