Grundmetaller bildar vanligtvis enkla, nära packade kristallina strukturer. Även om litium (Li) anses vara en typisk enkel metall, dess kristallstruktur vid omgivningstryck och låg temperatur är fortfarande okänd.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare kom nyligen med en teknik för att erhålla strukturell information för Li vid förhållanden där traditionella kristallografiska metoder är otillräckliga. Med denna metod, ett decennium långt pussel kan äntligen lösas.

Li är det lättaste metallet och det minst täta fasta elementet vid omgivande förhållanden. Li och dess föreningar har flera industriella tillämpningar, inklusive värmebeständigt glas och keramik, litiumfettsmörjmedel, flussadditiv för järn, stål- och aluminiumproduktion, litiumbatterier och litiumjonbatterier. Dessa användningar förbrukar mer än tre fjärdedelar av litiumproduktionen.

"Superledningen för alkalimetaller, och Li, är en fråga som har diskuterats i många år, "sade Stanimir Bonev, LLNL huvudförfattare till ett papper som förekommer i en nyutgåva av Förfaranden från National Academy of Sciences . "Först nyligen observerades supraledning i Li vid omgivningstryck. Men för att förstå de supraledande egenskaperna, det är viktigt att känna till kristallstrukturen. "

Som ett komplement till kristallografiska metoder, LLNL -teamet föreslog mätningar av det kristallmagnetiska momentets oscillationer i ett yttre magnetfält. Teamet utförde teoretisk analys som visade att spektrat av oscillationsresonanser är ganska distinkt för olika Li -strukturer. En jämförelse med befintliga experimentella data indikerar att lågtemperaturfasen för Li är inkompatibel med den tidigare tilldelade 9R -strukturen (nio sexkantiga staplingslager).

Li har mycket intressanta egenskaper vid högt tryck. När den komprimeras vid låg temperatur, dess supraledande kritiska temperatur ökar - från 0,4 millikelvin vid omgivningstryck till 20 kelvin vid cirka 500, 000 tryckatmosfärer. Sedan omvandlas den till en halvledare, sedan igen till en metall vid högre tryck, men med en mycket komplex struktur.

I åratal, forskare har försökt förstå litiums konstiga beteende. Teoretiskt sett det finns flera strukturer som har mycket nära energi. För att definitivt bestämma vilken av dem som har den absolut lägsta energin, och är därför jämviktsstrukturen, kräver enorm precision i beräkningarna. På samma gång, på grund av dess lätta atommassa, dynamiken hos Li -atomer är betydande även vid låg temperatur och detta gör det ännu svårare att uppnå sådan precision.

På försökssidan-eftersom Li är ett låg-Z-element-har det ett relativt svagt svar på röntgenstrålar och neutroner, som är de traditionella metoderna för att bestämma kristallstruktur. Övergången till lågtemperaturfasen är gradvis och det bryter också enkristallprovet.

I ett polykristallint prov, det är möjligt att ha en blandning av flera faser. Som ett resultat, spridningsmätningar (röntgen och neutron) kan och har tolkats på olika sätt.

"Det är svårt att helt klart identifiera strukturen med dessa andra metoder. "Bonev sa." Det finns bara några väl uttalade diffraktionstoppar och de matchar flera olika strukturer. Mätningarna blir naturligtvis hårdare vid högt tryck. Med den metod vi föreslår, dessa svårigheter kringgås. "

Forskningen visas i 23 maj -upplagan av PNAS .