Wetenschappers kunnen lange tijd in verhitte discussies over kleine details doorbrengen - bijvoorbeeld hoe en of atomen in een kristal bewegen bij verhitting, waardoor de symmetrie verandert. Met behulp van computersimulaties voor het mineraal loodtelluride op de CSCS-supercomputer Piz Daint, ETH-onderzoekers hebben een langdurige controverse opgelost.

aan buitenstaanders, wetenschappelijke vragen kunnen soms haarkloverij lijken. Deze vragen, echter, zijn vaak cruciaal, zoals in de materiaalkunde:het commerciële gebruik van een materiaal staat of valt met zijn eigenschappen. Een vraag die sterk afhankelijk is van zo'n haarkloverij, is die van Boris Sangiorgio in zijn proefschrift. In de onderzoeksgroep van ETH-professor Nicola Spaldin aan het Institute of Materials Theory, Sangiorgio gebruikte de supercomputer Piz Daint om te onderzoeken hoe loodtelluride (PbTe) zich gedraagt ​​als het opwarmt. Loodtelluride komt in de natuur voor als altaiet, een sulfosalt mineraal. Altaite kan warmte-energie omzetten in elektrische energie, wat betekent dat het thermo-elektrische eigenschappen heeft.

Marsrover beweegt met behulp van loodtelluride

Thermo-elektrische materialen werden in de jaren zestig populair in de ruimtevaart, en tot op de dag van vandaag wijdverbreid in gebruik zijn; bijvoorbeeld, een thermo-elektrische generator gemaakt van loodtelluride drijft de Marsrover Curiosity sinds 2012 aan.

Ongeveer zeven jaar geleden, echter, een onderzoek naar loodtelluride leidde tot een geschil tussen materiaalwetenschappers. Vroeger, onderzoekers kwamen tot de conclusie dat wanneer loodtelluride wordt verwarmd, het fenomeen benadrukking treedt op. In simpele termen, verhitting zorgt ervoor dat de loodatomen plaatselijk in het kristal verschuiven, lokale symmetrie te verminderen. Eerder, alleen het omgekeerde proces was bekend:door verhitting nam de symmetrie toe.

Emphanisis bleef slecht begrepen totdat Spaldins team dit fenomeen onderzocht in loodtelluride met behulp van de supercomputer. De simulaties laten zien dat wanneer het mineraal wordt verwarmd, de symmetrie wordt lokaal verbroken. Echter, wanneer het kristal als een geheel wordt gezien, de oorspronkelijke kubieke symmetrie blijft behouden.

Voor echte experimenten met het mineraal, de wetenschappers werkten samen met onderzoekers van het röntgenplatform in de afdeling Materialen van ETH en gebruikten een röntgenverstrooiingstechniek die een zeer nauwkeurige zichtbaarheid van de atomaire kristalstructuur opleverde. De resultaten van deze proeven kwamen zeer nauw overeen met die van de simulatie, waardoor de simulatieresultaten worden bevestigd. De onderzoekers konden vervolgens in de simulaties een stap verder gaan dan in het experiment en ontdekken wat er achter het proces van emphanisis in loodtelluride zat.

Nieuw fenomeen

De simulaties laten zien dat verwarming van het kristal leidt tot sterke akoestische en optische trillingen. Deze trillingen overlappen en zijn aan elkaar gekoppeld, waardoor een fenomeen ontstaat dat nog nooit eerder is waargenomen:door de gekoppelde trillingen, gecorreleerde dipolen vormen zich in het kristal, met paren Pb- en Te-atomen die beide fluctueren en oriënteren volgens hun lading. "Als geheel gezien, echter, de atomen bevinden zich nog steeds in een zeer symmetrische positie, ", zegt Sangiorgio. De globale symmetrie blijft behouden. De onderzoekers vermoeden dat dit proces essentieel is voor het thermo-elektrische gedrag van loodtelluride. Het zou ook kunnen gelden voor andere materialen (de zogenaamde ferro-elektrische materialen) die, zoals loodtelluride, dicht bij een ferro-elektrische faseovergang zijn.

"De functionaliteit van loodtelluride is waarschijnlijk gebaseerd op een gevoelige balans tussen elektronische en structurele eigenschappen, ", zegt Sangiorgio. Het begrijpen van de lokale structuur en dynamiek van loodtelluride is essentieel voor wetenschappers om het gedrag van het materiaal te verklaren. Deze bevindingen zullen hen helpen om in de toekomst efficiëntere thermo-elektrische materialen te maken of te vinden. Thermo-elektrische materialen zijn niet alleen van belang in de ruimtevaart onderzoek; ze kunnen ook helpen om de restwarmte van verbrandingsinstallaties of auto's efficiënter te gebruiken bij de opwekking van elektriciteit.