Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har upptäckt en ovanlig ny typ av fasomvandling i övergångsmetallen zirkonium. Mekanismen bakom denna nya typ av fasövergång är den första i sitt slag som någonsin har observerats, och kunde endast ses med tillämpning av mycket höga tryck. Forskningen publicerades nyligen av Fysisk granskning B som en snabb kommunikation.

Teamet utförde experiment med en diamantstädcell, som komprimerade grundämnet zirkonium till ett tryck på mer än 200 gigapascal (GPa), lite mer än hälften av det tryck som finns i jordens centrum. I flera decennier, Det har varit känt att zirkonium omvandlas till en kroppscentrerad kubisk (bcc) gitterstruktur vid tryck över 25 GPa. Det är inte slutet på historien, Men:Fortsätt att komprimera zirkonium över 58 GPa och det kommer att genomgå ännu en fasövergång, men, underligt, atomgittret kommer att förbli bcc.

"Även om enkla system, såsom metalliska element, har studerats under statisk kompression i mer än fem decennier, det finns fortfarande outforskade fysiska mekanismer involverade i deras strukturella beteende, sade Elissaios Stavrou, en anställd på Material Science Division vid LLNL och huvudförfattare till forskningen.

Med en första ordningens fasövergång, med förändringar i både volym och entalpi, fortfarande kvar i samma galler, är en udda typ av fasövergång som kallas "isostrukturell". Före denna studie, det enda grundämnet i det periodiska systemet som var känt för att genomgå en isostrukturell övergång var cerium. Fasomvandlingen i cerium drivs av förändringar i den elektroniska strukturen som uppstår vid kompression. I zirkonium, den isostrukturella övergången sker inte på grund av elektroniska förändringar, men i hur atomerna vibrerar.

Enligt Stavrou, "första ordningens fasövergångar under tryck är vanligtvis förknippade med antingen lägre entalpistrukturer eller elektroniska övergångar. I detta arbete, vi utmanar denna intuition och lyfter fram att alternativa mekanismer, såsom anharmonicitet, kan utlösa en sådan fasövergång även vid rumstemperatur."

För att hjälpa till att reda ut mekanismen på spel, kvantmolekylära dynamiksimuleringar - mycket intensiva beräkningar som löser Schrödinger-ekvationen för kvantmekanik i linje med atomernas rörelse på pikosekundens tidsskalan - avslöjade att vibrationslägena hos zirkoniumgittret genomgår en plötslig förändring när dess volym minskas av det applicerade trycket , vilket gör att fasövergången sker på ett sätt som är första ordningens.

"Simuleringar med första principer ger ett komplement till experimentell upptäckt genom exakt kontroll av simuleringsförhållandena. I det här fallet, vi kunde utlösa gitteranharmoniciteten i våra simuleringar och gav därför ett förtydligande av mekanismen som inducerar fasövergången som upptäcktes i dessa experiment, " förklarade fysikern Lin Yang, en expert på simulering av kvantmolekylär dynamik. Yang påpekar att de simuleringar som krävs för att observera denna mekanism är långt bortom vad forskare vanligtvis kan undersöka.

"För att trigga anharmonicitetsmekanismen i gitterdynamiken, vi var tvungna att köra mycket långa simuleringar. Vi har turen att LLNL har världens mest kraftfulla superdatorer som möjliggör denna simuleringsskala, " sa Yang.

Mest spännande, denna senaste upptäckt belyser möjligheten att det finns andra element i det periodiska systemet som också kan ha en anharmoniskt driven isostrukturell fasövergång som zirkonium.

"Zirkonium har ett intressant beteende, men i det stora hela är det bara en annan relativt enkel övergångsmetall. Och ändå, trots den uppenbara enkelheten, vi observerar något ganska komplext framväxande beteende vid högt tryck. Vem kan säga att andra så kallade enkla metaller kanske inte också genererar avsevärd komplexitet?, sa Jon Belof, en gruppledare i Material Science Division på LLNL och projektledare för FoU av fasövergångar vid högt tryck. "Nu när vi vet att den här mekanismen finns, vi vet vad vi ska leta efter – loppet är nu igång för resten av högtryckssamhället att hitta dessa effekter någon annanstans i det periodiska systemet."