Kuantum etkisi olağandışı malzeme genişlemesini tetikler

Kuantum etkisi olağandışı malzeme genişlemesini tetikler
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın


Kuantum etkisi olağandışı malzeme genişlemesini tetikler

Altın samaryum sülfür örneğindeki her samaryum atomu (iç fotoğraf) küçük bir manyetik momente (mavi oklar) sahiptir. Soğutulduğunda, Kondo etkisi adı verilen bir fenomen, metaldeki serbest elektronların bazılarının (sarı oklar) samaryum atomlarının en dıştaki elektron kabuğuna girmesine neden olur ve bu Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

Dondurucuya koymadan önce bir su şişesinde nasıl yer bıraktığınızı biliyorsunuz – suyun donurken genişlemesi gerçeğine uyum sağlamak için? Uçaklardaki metal parçaların çoğu daha yaygın ters problemle karşı karşıyadır. Yüksek rakımlarda (düşük sıcaklıklar) küçülürler. Bu tür büzülmenin büyük felaketlere neden olmasını önlemek için, mühendisler uçakları kompozit veya alaşımlardan yaparlar, birbirlerini dengelemek için zıt genleşme özelliklerine sahip malzemeleri karıştırırlar.

ABD Enerji Bakanlığı’nın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda yapılan yeni araştırmalar, bu malzeme bilimi dengeleme hareketine tamamen yeni bir kimyasal element sınıfı getirebilir.

Dergide yayınlanan bir makalede açıklandığı gibi Fiziksel İnceleme Mektuplarıbilim adamları, Brookhaven’in Ulusal Senkrotron Işık Kaynağı II’de (NSLS-II) – ABD Enerji Bakanlığı Ofisi kullanıcı tesisi – ve diğer iki senkrotron ışık kaynağında röntgenleri kullanarak düşük sıcaklıkta önemli ölçüde genişleyen alışılmadık bir metali keşfettiler. Bazı safsızlıklarla katkılı samaryum sülfür üzerinde yapılan deneyler, malzemenin atom seviyesi yapısı ve “negatif termal genleşmesinin” elektron bazlı kökenleri hakkında ayrıntılar ortaya koydu.

Bu çalışma, kimyasal reçeteyi değiştirerek genişleme derecesinin tam olarak ayarlanabileceği yeni malzemeler tasarlamak için yollar açar. Ayrıca, metal karıştırma uygulamaları için araştırılabilecek birkaç ilgili malzeme önermektedir.

“İster bir uçak, isterse bir elektronik cihaz olsun, pratik uygulamalarda, bu zıt özelliklere sahip malzeme alaşımları yapmak istersiniz – bir tarafta genişleyen ve soğuduklarında diğer tarafa daralan şeyler, böylece toplamda aynı kalır,” makalenin baş yazarı ve NSLS-II ve Brookhaven Lab’in Yoğun Madde Fizik ve Malzeme Bilimi Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Daniel Mazzone açıkladı.

Ancak soğutulduğunda suyun genleşmesini taklit eden malzemeler az ve çoktur. Dondurucu suyun genleşmesi iyi anlaşılırken, samaryum sülfidin dramatik genleşmesi hiç açıklanmamıştır.

Mazzone’un çalıştığı diğer malzemeler gibi, bu samaryum bazlı bileşik (özellikle birkaç samaryum atomunun yerini alan bazı itriyum atomları olan samaryum sülfür) rakip elektronik fazlarla (suyun katı, sıvı ve gaz halindeki fazlarına biraz benzer) karakterize edilir . Sıcaklık ve basınç gibi dış koşullara bağlı olarak, malzemedeki elektronlar farklı şeyler yapabilir. Bazı durumlarda, malzeme elektronların serbestçe hareket edebileceği altın renkli bir metaldir – bir iletken. Diğer durumlarda, sadece bazı elektronların akmasına izin veren siyah renkli bir yarı iletkendir.

Altın metalik durum, soğutulduğunda dramatik bir şekilde genişleyen ve son derece sıra dışı bir metal olan devlettir. Mazzone ve meslektaşları, elektronların davranışının nedenini anlamak için röntgenlere ve teorik açıklamalara yöneldiler.

Kuantum etkisi olağandışı malzeme genişlemesini tetikler
Daniel Mazzone, projenin, samaryum sülfitin soğutulduğunda önemli ölçüde genişlemesine neden olan mekanizmayı keşfetmesine öncülük etti. Kredi bilgileri: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

NSLS-II’nin Çift Dağıtım Fonksiyonu (PDF) ışın çizgisinde, bilim adamları kırınım deneyleri yaptılar. PDF huzme çizgisi, düşük sıcaklıklar ve manyetik alanlar gibi çeşitli dış koşullar altında güçlü bir şekilde ilişkilendirilmiş malzemelerin çalışmaları için optimize edilmiştir. Bu deney için ekip, samaryum örneklerini NSLS-II’nin x-ışınlarının ışığında sıvı-helyum soğutmalı kriyostat içine yerleştirdi ve x-ışınlarının farklı sıcaklıklarda malzemenin kristal yapısını oluşturan atomlardan nasıl sektiğini ölçtü.

PDF ışın çizgisinin baş bilimcisi Milinda Abeykoon, “X-ışınlarının atomların yerlerini ve aralarındaki mesafeleri belirlemek için nasıl örnek atladıklarını izliyoruz.” Dedi. “Sonuçlarımız, sıcaklık düştükçe, bu maddenin atomlarının daha da uzaklaştığını ve tüm malzemenin hacim olarak yüzde üçe kadar genişlemesine neden olduğunu gösteriyor.”

Ekip aynı zamanda Fransa’da SOLEIL senkrotronda ve Japonya’da SPring-8 senkrotronda x-ışınlarını kullanarak, sıcaklıkla indüklenen geçişin farklı aşamalarında malzemede elektronların ne yaptığını ayrıntılı bir şekilde incelediler.

“Bu ‘X-ışını soğurma spektroskopisi’ deneyleri, elektronların samaryum atomları etrafındaki elektronların en dıştaki ‘kabuğuna’ girip girmediğini izleyebilir,” diye açıkladı NSLS-II’de bir fizikçi olan Ignace Jarrige.

Kimyanın temellerinden birine geri dönerseniz, doldurulmamış dış kabukları olan atomların en reaktif olma eğiliminde olduğunu hatırlayabilirsiniz. Samarium’un dış kabuğu yarı dolu.

Mazzone, “Tüm fizik esasen dolu veya boş olmayan bu son kabukta bulunur.” Dedi.

Elektron izleme X-ışını deneyleri, samaryum-sülfit metalinden akan elektronların, her samaryum atomunun etrafındaki dış kabuğa hareket ettiğini ortaya koydu. Her atomun elektron bulutu ekstra elektronları barındırmak için büyüdükçe, tüm malzeme genişledi.

Ancak bilim adamları hala davranışı fizik teorilerine göre açıklamak zorundaydı. Kent State Üniversitesi’nden teorik bir fizikçi olan Maxim Dzero’nun yaptığı hesaplamalar sayesinde, bu fenomeni fizikçi Jun Kondo’nun adını taşıyan Kondo etkisi ile açıklayabildiler.

Kondo etkisinin arkasındaki temel fikir, elektronların bir materyaldeki manyetik safsızlıklarla etkileşime girerek, manyetiklerini “elemek” veya iptal etmek için kendi manyetiklerini daha büyük manyetik parçacığın zıt yönünde hizalayacağıdır.

Samaryum-sülfür malzemesinde, Dzero, her bir samaryum atomunun neredeyse yarıya dolu dış kabuğunun belirli bir yöne işaret eden küçük bir manyetik kirlilik görevi görür. Dzero, “Ve bir metaliniz olduğu için, bu küçük manyetik momentlere yaklaşıp iptal edebilen serbest elektronlar da bulursunuz.” Dedi.

Kondo efektine maruz kalan tüm elemanların, en dıştaki kabuğu dolduran elektronları yoktur, çünkü diğer yöne de gidebilir – elektronların kabuktan çıkmasına neden olur. Yön, kuantum mekaniğinin kuralları tarafından dikilen hassas bir enerji dengesi ile belirlenir.

“Bazı elementler için, dış kabuğun doldurulma şekli nedeniyle, elektronların kabuktan çıkması daha enerjik olarak daha elverişlidir. Ancak bu malzemelerden birkaçı için elektronlar hareket edebilir, bu da genişlemeye yol açar” Jarrige dedim. Samaryuma ek olarak, diğer iki element tülyum ve itterbiyumdur.

Jarrige, bu diğer elementleri içeren bileşikleri, soğuduktan sonra genişleyen materyaller oluşturmak için ek olası bileşenler olarak araştırmaya değer.

Son olarak, bilim adamları, samaryum sülfürdeki negatif termal genleşme derecesinin, safsızlıkların konsantrasyonunu değiştirerek ayarlanabileceğini kaydetti.

Mazzone, “Bu ayarlanabilirlik, bu malzemeyi genişleme dengeli alaşımların mühendisliği için çok değerli kılıyor” dedi.

Connecticut Üniversitesi’nden (UConn) bir ortak olan Jason Hancock, “Çok gelişmiş çok gövdeli teori modellemesinin uygulanması, bu malzemenin manyetik durumu ile hacim genişlemesi arasındaki bağlantıyı belirleme çalışmalarının önemli bir parçasıydı.” Dedi. “Kent State, UConn, Brookhaven Lab, ortak senkrotronlar ve Japonya’daki sentez grupları arasındaki bu işbirliği potansiyel olarak bu nadir toprak malzemelerinin alışılmadık özelliklerinden yararlanan yeni malzeme keşif çabalarına yol gösterebilir.”


Elektronik için yeni bir “altın” çağ mı?


Kaynak

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir