Ett sätt att värme skadar elektronisk utrustning är att det får komponenter att expandera med olika hastigheter, resulterar i krafter som orsakar mikrosprickor och distorsion. Plastkomponenter och kretskort är särskilt benägna att skadas på grund av förändringar i volym under uppvärmnings- och kylcykler. Men om ett material skulle kunna införlivas i komponenterna som kompenserar för expansionen, påfrestningarna skulle minska och deras livslängd förlängas.

Alla känner till ett material som beter sig så här:flytande vatten expanderar när det fryser och is drar ihop sig när det smälter. Men flytande vatten och elektronik blandas inte bra - istället vad som behövs är en solid med "negativ termisk expansion" (NTE).

Även om sådana material har varit kända sedan 1960 -talet, ett antal utmaningar måste övervinnas innan konceptet skulle vara i stort sett användbart och kommersiellt gångbart. När det gäller både material och funktion, dessa ansträngningar har endast haft begränsad framgång. Experimentmaterialen hade producerats under specialiserade laboratorieförhållanden med användning av dyr utrustning; och även då, temperatur och tryckintervall där de skulle uppvisa NTE låg långt utanför normala vardagliga förhållanden. Dessutom, mängden de expanderade och kontrakterade berodde på riktningen, som framkallade interna påfrestningar som förändrade deras struktur, vilket innebär att NTE -egendomen inte skulle vara längre än några värme- och kylcykler.

Ett forskargrupp som leds av Koshi Takenaka vid Nagoya University har lyckats övervinna dessa materialtekniska utmaningar. Inspirerad av serierna av Noriaki Sato, även vid Nagoya University - vars upptäckt förra året av supraledning i kvasikristaller ansågs vara en av de tio bästa fysikfynden under året av Fysikvärlden tidning - Professor Takenaka tog det sällsynta jordartsmetoden samarium och dess sulfid, samariummonosulfid (SmS), som är känt för att ändra fas från "svart fas" till "guldfas" med mindre volym. Problemet var att ställa in temperaturintervallet vid vilket fasövergången sker. Teamets lösning var att ersätta en liten andel samariumatomer med ett annat sällsynt jordartsmetall, ger Sm _1-x R _x S, där "R" är något av de sällsynta jordartselementen cerium (Ce), neodym (Nd), praseodym (Pr) eller yttrium (Y). Fraktionen x laget använde var vanligtvis 0,2, förutom yttrium. Dessa material visade "jätte negativ termisk expansion" på upp till 8% vid vanligt rumstryck och ett användbart temperaturintervall (cirka 150 grader) inklusive vid rumstemperatur och högre (fig. 1). Cerium är stjärnkandidaten här eftersom det är relativt billigt.

Fasövergångens natur är sådan att materialen kan pulveriseras till mycket små kristallstorlekar runt en mikron på en sida utan att förlora sin negativa expansionsegenskap. Detta breddar de industriella tillämpningarna, särskilt inom elektronik.

Medan Nagoya University -gruppens tekniska prestation är imponerande, hur den negativa expansionen fungerar är fascinerande ur en grundläggande fysik synvinkel. Under den svart-gyllene övergången, kristallstrukturen förblir densamma men atomerna kommer närmare varandra:enhetscellstorleken blir mindre eftersom (som är mycket troligt men kanske ännu inte 100% säkert) elektronstrukturen i samariumatomerna förändras och gör dem mindre - en process av intra -atomisk laddningsöverföring kallad en "valensövergång" eller "valensfluktuation" inom samariumatomerna (fig. 2). "Mitt intryck, "säger professor Takenaka, "är att korrelationen mellan gittervolymen och elektronstrukturen i samarium är experimentellt verifierad för denna klass av sulfider."

Mer specifikt, i den svarta (lägre temperaturen) fasen, elektronkonfigurationen för samariumatomerna är (4f) ⁶ , vilket betyder att de i sitt yttersta skal har 6 elektroner i f orbitaler (med s, p och d orbitaler fyllda); medan den gyllene fasen är den elektroniska konfigurationen (4f) ⁵ (5d) ¹ —En elektron har flyttat ur en 4f -orbital till en 5d -orbital. Även om ett "högre" skal börjar upptas, det visar sig - genom en finurlighet av Pauli Exclusion Principle - att det andra fallet ger en mindre atomstorlek, vilket leder till en mindre kristallstorlek och negativ expansion.

Men detta är bara en del av den grundläggande bilden. I den svarta fasen, samariumsulfid och dess dopade utlöpare är isolatorer - de leder inte elektricitet; medan de i den gyllene fasen förvandlas till ledare (dvs. metaller). Detta tyder på att under den svart-gyllene fasövergången påverkar hela kristallens bandstruktur valansövergången inom samariumatomerna. Även om ingen har gjort de teoretiska beräkningarna för de dopade samariumsulfiderna som gjorts av professor Takenakas grupp, en tidigare teoretisk studie har visat att när elektroner lämnar samariumatomerns f orbital, de lämnar efter sig ett positivt laddat "hål" som i sig interagerar motbjudande med hål i kristallens ledningsband, påverkar deras utbytesinteraktion. Detta blir en kooperativ effekt som sedan driver valensövergången i samariumatomerna. Den exakta mekanismen, fastän, är inte väl förstådd.

Ändå, Nagoya University-ledda gruppens prestation är en teknik, inte ren fysik. "Det som är viktigt för många ingenjörer är förmågan att använda materialet för att minska enhetsfel på grund av termisk expansion, "förklarar professor Takenaka." Kort sagt, i ett visst temperaturintervall - det temperaturintervall där den avsedda enheten fungerar, vanligtvis ett intervall på dussintals grader eller mer - volymen måste gradvis minska med en temperaturökning och öka när temperaturen sjunker. Självklart, Jag vet också att volymutvidgning vid kylning under en fasövergång [som vattenfrysning] är ett vanligt fall för många material. Dock, om volymen ändras i ett mycket smalt temperaturintervall, det finns inget ingenjörsvärde. Den nuvarande prestationen är resultatet av materialteknik, inte ren fysik. "

Kanske är det till och med en ny "guldålder" för elektronik.