Kärnteknik har spelat en viktig roll för att bestämma kristallstrukturen för en sällsynt typ av intermetallisk legering som uppvisar supraledning.

Forskningen, som nyligen publicerades i Räkenskaper för kemisk forskning , var ett åtagande som leds av forskare från Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, med samarbete från Ivan-Franko National University i Lviv, tekniska universitetet Freiberg, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, och ANSTO.

Komplexa metalllegeringar (CMA) har potential att fungera som katalysatorer och fungera som material för enheter som döljer värme till energi (termoelektriska generatorer) eller använder magnetisk kylning för att förbättra energieffektiviteten för kyl- och temperaturkontrollsystem.

Termoelektriska generatorer används för fjärrstyrda applikationer med låg effekt eller där större, men mer effektiva värmemotorer inte skulle vara möjliga.

CMA:s unika egenskaper härrör från deras invecklade överbyggnad, med varje upprepande enhetscell innefattande hundratals eller tusentals atomer.

Studien fokuserade på en fas av beryllium och platina, Be21Pt5. Berylliumatoms låga röntgenspridningskraft hade tidigare utgett ett hinder för forskare som försökte lösa strukturen för berylliumrika CMA, som Be21Pt5, genom att använda röntgenpulverdiffraktionstekniker.

För att hitta berylliumatomerna, forskare använde ECHIDNA neutronpulverdiffraktometer vid Australian Center for Neutron Scattering.

Dr Maxim Avdeev, en instrumentforskare, noterade att användningen av neutronstrålar i kombination med röntgendata var nyckeln till att lösa strukturen.

"Eftersom beryllium är ett lätt element, det kommer att sprida neutroner längre än röntgenstrålar med en faktor på cirka 20. Det var inte möjligt att lokalisera berylliumatomerna i kristallen med hjälp av röntgenstrålar, men med neutrondiffraktion fann vi dem lätt. "

"Eftersom beryllium är ett lätt element, den sprider svagt röntgenstrålar. Jämfört med platina, kontrasten är ungefär 1 till 20. Genom att använda neutroner ändras förhållandet till ungefär 16 till 20 vilket gjorde det möjligt att enkelt hitta berylliumatomer i kristallstrukturen. "

Data från röntgen- och neutronpulverdiffraktion kompletterades med kvantmekaniska beräkningar för att bestämma elektrondensitetsfördelning som definierar materialets elektroniska egenskaper.

Diffraktionsdata indikerade att kristallstrukturen för Be21Pt5 byggdes upp från fyra typer av kapslade polyhedrala enheter eller kluster. Varje kluster innehöll fyra skal omfattande 26 atomer med en unik fördelning av defekter, platser där en atom saknas eller oregelbundet placeras i gitterstrukturen.

Neutrondiffraktionsexperiment vid ANSTO hjälpte till att bestämma kristallstrukturen bestämma strukturen för Be21Pt5, som bestod av fyra unika kluster (färgkodade ovan i bilden), var och en innehåller 26 atomer.

Studiens samarbete var också avgörande för att lösa strukturen.

"Det fysiska provet syntetiserades i Tyskland och skickades till Australien för analys. När vi skickade diffraktionsdata tillbaka till våra medarbetare, de kunde lösa strukturen på sina heminstitutioner. "

Efter att ha löst kristallstrukturen, forskargruppen riktade också sin uppmärksamhet mot de fysiska egenskaperna hos Be21Pt5 och gjorde en oväntad upptäckt. Vid temperaturer under 2 K, Be21Pt5 visade sig uppvisa supraledning.

"Det är ganska ovanligt att denna familj av intermetalliska föreningar genomgår en superledande fas. Ytterligare studier är nödvändiga för att förstå vad som gör detta system speciellt och neutronspridningsexperiment kommer att spela en viktig roll i processen."