En Fermi -yta för FeTi, visar de tillåtna energitillstånden som kan upptas av elektroner. Upphovsman:Fred Yang och Brent Fultz
Materialforskare på Caltech har upptäckt ett nytt sätt att värma tweaks de fysiska egenskaperna hos ett material.
Experimentera med en legering av järn och titan (FeTi), ett team under ledning av Caltechs Brent Fultz fann att ökande värme förändrar topologin på materialets Fermi -yta - en abstrakt karta över de tillåtna energitillstånden som kan upptas av elektroner.
Fultz, Barbara och Stanley R.Rawn, Jr., Professor i materialvetenskap och tillämpad fysik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap, liknar en Fermi -yta med en planet täckt av ett slätt hav och steniga landmassor. Havet består av elektroner, medan landet representerar tomrum där elektroner inte finns. Att placera ett element under extremt tryck - som det i jordens kärna - kan få landformer att lura strax under ytan, i sin tur förändras där elektroner sannolikt finns. Utseendet på dessa nya funktioner på en Fermi -yta kallas en elektronisk topologisk övergång (ETT). Begreppet ETT föreslogs av den ryska fysikern I. M. Lifshitz 1960, och ETT har observerats genom att utsätta metaller för tryck i storleksordningen 100, 000 atmosfärer.
Uppvärmning gör att elektroner slingrar runt inom Fermi -ytan, men, som med vågor som rör sig på vatten, kustlinjerna-gränserna mellan elektroner och elektronlösa hålrum-förblir ungefär desamma. Dock, Fultz och hans kollegor märkte att eftersom värme också förskjuter atomer, uppvärmning kan i vissa fall avslöja landformer dolda under ytan på det metaforiska Fermihavet.
Rent praktiskt, förändring av topologin på Fermi -ytan ändrar de kemiska egenskaperna hos en metall eller legering, som i sin tur förändrar sin elektriska konduktivitet.
Upphovsman:California Institute of Technology
Det potentiella värdet för ingenjörer ligger i det faktum att det är mycket lättare att höja temperaturen på ett material än att placera det under den typ av tryck som behövs för att tvinga fram en ETT. "Det tryck som behövs för att orsaka ETT är intensivt, medan de temperaturförändringar som behövs är relativt låga, säger Fultz. gigapascal tryck krävs för att orsaka ETT - det vill säga tiotusentals gånger trycket från jordens atmosfär. Dock, Fultz och hans kollegor noterade ETT som förekommer inom hundratals grader Fahrenheit av temperaturförändringar.
Upptäckten var något av en olycka - resultatet av beräkningsmässigt jagande av avvikande resultat medan man utförde neutronspridningstester på en FeTi -legering som är av intresse för ingenjörer eftersom den är anmärkningsvärt stark och töjbar.
Neutronspridning avslöjar detaljer om ett materials atomstruktur. I metoden, en stråle av neutroner avfyras mot ett material och energierna och vinklarna för de spridda neutronerna registreras och analyseras. Särskilt, Fultz grupp använde neutronspridning för att studera vibrationer av atomer i kristaller, som nästan alltid rör sig och surrar något. Forskarna fann att, med stigande temperaturer, de specifika surrmönstren förändrades dramatiskt på ett sätt som inte kunde förklaras med kända mekanismer.
Caltech doktorand Fred Yang (MS '15), huvudförfattare till ett papper om upptäckten som visas i tidningen Fysiska granskningsbrev , körde många datasimuleringar som föreslog att den temperaturrelaterade förändringen kunde förklaras av en ETT i FeTi.
Nästa, Fultz och Yang planerar att utforska andra element med funktioner som lurar precis under deras Fermi -ytor.
