Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een ongebruikelijk nieuw type fasetransformatie ontdekt in het overgangsmetaal zirkonium. Het mechanisme dat ten grondslag ligt aan dit nieuwe type faseovergang is het eerste in zijn soort dat ooit is waargenomen, en alleen kon worden gezien bij toepassing van zeer hoge drukken. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd door Fysieke beoordeling B als een snelle communicatie.

Het team voerde experimenten uit met behulp van een diamanten aambeeldcel, die het basiselement zirkonium comprimeerde tot een druk van meer dan 200 gigapascal (GPa), iets meer dan de helft van de druk in het centrum van de aarde. Sinds enkele decennia is het is bekend dat zirkonium bij drukken boven 25 GPa verandert in een lichaamsgecentreerde kubische (bcc) roosterstructuur. Dat is niet het einde van het verhaal, echter:blijf zirkonium comprimeren tot voorbij 58 GPa en het zal nog een faseovergang ondergaan, maar, vreemd, het atoomrooster blijft bcc.

"Hoewel eenvoudige systemen, zoals metalen elementen, al meer dan vijf decennia onder statische compressie zijn bestudeerd, er zijn nog onontgonnen fysieke mechanismen betrokken bij hun structurele gedrag, " zei Elissaios Stavrou, een medewerker van de Material Science Division bij LLNL en hoofdauteur van het onderzoek.

Het hebben van een eerste-orde faseovergang, met veranderingen in zowel volume als enthalpie, toch in hetzelfde rooster blijvend, is een vreemd type faseovergang dat 'isostructureel' wordt genoemd. Voorafgaand aan deze studie, het enige element op het periodiek systeem waarvan bekend was dat het een isostructurele overgang onderging, was cerium. De fasetransformatie in cerium wordt aangedreven door veranderingen in de elektronische structuur die optreden bij compressie. van zirkonium, de isostructurele overgang vindt niet plaats vanwege elektronische veranderingen, maar in hoe de atomen trillen.

Volgens Stavro, "eerste-orde faseovergangen onder druk worden meestal geassocieerd met lagere enthalpiestructuren of elektronische overgangen. In dit werk, we dagen deze intuïtie uit en benadrukken dat alternatieve mechanismen, zoals anharmoniciteit, zou een dergelijke faseovergang zelfs bij kamertemperatuur kunnen veroorzaken."

Om het spelende mechanisme te helpen ontrafelen, quantum moleculaire dynamica-simulaties - zeer intense berekeningen die de Schrödinger-vergelijking van de kwantummechanica oplossen in lijn met de beweging van atomen op de picoseconde tijdschaal - onthulden dat de trillingsmodi van het zirkoniumrooster een plotselinge verschuiving ondergaan naarmate het volume wordt verminderd door de uitgeoefende druk , waardoor de faseovergang plaatsvindt op een manier die van de eerste orde is.

"First-principles-simulaties vormen een aanvulling op experimentele ontdekking door middel van nauwkeurige controle van de simulatieomstandigheden. In dit geval we waren in staat om de rooster-anharmoniciteit in onze simulaties te activeren en gaven daarom een ​​verduidelijking van het mechanisme dat de faseovergang induceert die in deze experimenten werd ontdekt, " verklaarde natuurkundige Lin Yang, een expert in simulatie van kwantummoleculaire dynamica. Yang wijst erop dat de simulaties die nodig zijn om dit mechanisme te observeren veel verder gaan dan wat onderzoekers doorgaans kunnen onderzoeken.

"Om het anharmoniciteitsmechanisme in de roosterdynamiek te activeren, we moesten heel lange simulaties draaien. We hebben het geluk dat LLNL 's werelds krachtigste supercomputers herbergt die deze schaal van simulatie mogelijk maken, " zei Yang.

Het meest intrigerend, deze recente ontdekking benadrukt de mogelijkheid dat er andere elementen van het periodiek systeem zijn die ook een anharmonisch aangedreven isostructurele faseovergang kunnen hebben, zoals zirkonium.

"Zirkonium heeft een interessant gedrag, maar in het grote geheel is het gewoon een relatief eenvoudig overgangsmetaal. En toch, ondanks zijn schijnbare eenvoud, we observeren nogal complex opkomend gedrag bij hoge druk. Wie zegt dat andere zogenaamde eenvoudige metalen misschien niet ook een aanzienlijke complexiteit genereren?, " zei Jon Belof, een groepsleider in de Material Science Division bij LLNL en projectleider voor de R&D van faseovergangen onder hoge druk. "Nu we weten dat dit mechanisme bestaat, we weten waar we naar moeten zoeken - de race is nu begonnen voor de rest van de hogedrukgemeenschap om deze effecten elders in het periodiek systeem te vinden."