Forskare kan spendera lång tid i heta debatter om små detaljer – till exempel, hur och om atomer i en kristall rör sig när de värms upp, därigenom förändras symmetrin. Använda datorsimuleringar för mineralet bly tellurid på CSCS superdator Piz Daint, ETH-forskare har löst en långvarig kontrovers.

Till utomstående, vetenskapliga frågor kan ibland se ut som hårklyveri. Dessa frågor, dock, är ofta avgörande, som inom materialvetenskap:den kommersiella användningen av ett material står eller faller på dess egenskaper. En fråga som i hög grad beror på sådan hårklyveri är den som Boris Sangiorgio drev i sin doktorsavhandling. I ETH professor Nicola Spaldins forskargrupp vid Institutet för materialteori, Sangiorgio använde superdatorn Piz Daint för att undersöka hur blytellurid (PbTe) beter sig när det värms upp. Blytellurid uppträder i naturen som altait, ett sulfosaltmineral. Altaite kan omvandla värmeenergi till elektrisk energi, vilket betyder att den har termoelektriska egenskaper.

Mars rover rör sig med blytellurid

Termoelektriska material blev populära inom flyg- och rymdindustrin på 1960-talet, och förblir i utbredd användning idag; till exempel, En termoelektrisk generator gjord av blytellurid driver Mars-rovern Curiosity sedan 2012.

För ungefär sju år sedan, dock, en studie om blytellurid antände en tvist bland materialforskare. Då, forskare kom till slutsatsen att när blytellurid upphettas, fenomenet emphanisis inträffar. I enkla termer, uppvärmning gör att blyatomerna förskjuts lokalt i kristallen, minska lokal symmetri. Tidigare, bara den omvända processen hade varit känd:uppvärmning orsakade en ökning av symmetri.

Betoningen förblev dåligt förstådd tills Spaldins team undersökte detta fenomen i blytellurid med hjälp av superdatorn. Simuleringarna visar att när mineralet värms upp, symmetrin är bruten lokalt. Dock, när kristallen ses som en helhet, den ursprungliga kubiska symmetrin bibehålls.

För riktiga experiment med mineralet, forskarna arbetade i samarbete med forskare vid röntgenplattformen vid institutionen för material vid ETH och använde en röntgenspridningsteknik som gav högprecisionssynlighet av atomkristallstrukturen. Resultaten från dessa försök överensstämde mycket nära med simuleringen, bekräftar därmed simuleringsresultaten. Forskarna kunde sedan gå ett steg längre i simuleringarna än i experimentet och upptäcka vad som låg bakom betoningsprocessen i blytellurid.

Nytt fenomen

Simuleringarna visar att uppvärmning av kristallen leder till starka akustiska och optiska vibrationer. Dessa vibrationer överlappar varandra och är sammankopplade, som producerar ett fenomen som aldrig har observerats tidigare:på grund av de kopplade vibrationerna, korrelerade dipoler bildas i kristallen, med par av Pb- och Te-atomer som båda fluktuerar och orienterar enligt deras laddningar. "Sett som en helhet, dock, atomerna är fortfarande i en mycket symmetrisk position, " säger Sangiorgio. Den globala symmetrin bibehålls. Forskarna misstänker att denna process är avgörande för blytellurids termoelektriska beteende. Det kan också vara sant för andra material (så kallade ferroelektriska ämnen) som, som bly telluride, är nära en ferroelektrisk fasövergång.

"Funktionaliteten hos blytellurid är sannolikt baserad på en känslig balans mellan elektroniska och strukturella egenskaper, " säger Sangiorgio. Att förstå den lokala strukturen och dynamiken hos blytellurid är viktigt för forskare att förklara materialets beteende. Dessa fynd kommer att hjälpa dem att skapa eller hitta mer effektiva termoelektriska material i framtiden. Termoelektriska material är inte bara av intresse inom flyg- och rymdfart. forskning, de skulle också kunna bidra till en effektivare användning av spillvärme från förbränningsanläggningar eller bilar vid elproduktion.