En ny studie av forskare från Waseda University och University of Tokyo fann att orbitalordning i en vanadatförening uppvisar ett tydligt kärnbildande tillväxtbeteende.

"Vi tror att detta är den första observationen i sitt slag, där elektroner i ett oorganiskt fast ämne skapade två mjuka faser som liknar ånga och vatten, och där ett kärnbildande tillväxtbeteende observerades på grund av ytspänningen som skapades mellan faserna, "säger Takuro Katsufuji, professor i fysik vid Waseda University och huvudutredare för denna studie.

Forskarna publicerade sina fackgranskade fynd i Naturkommunikation den 11 maj, 2020.

När vattenånga kondenserar, ångan förvandlas till dagg när vattenkärnor bildas och växer, övergångsfaser från gas till vätska. Denna bildning och tillväxt av kärnorna kallas kärnbildningstillväxtprocessen, och det förekommer i olika typer av fasövergångar.

Även om fasövergångar också förekommer i fasta ämnen, ett kärnbildande tillväxtbeteende har aldrig observerats under elektronbaserade fasövergångar i oorganiska material. Den mest troliga förklaringen är att det måste finnas ytspänning för att detta beteende ska kunna inträffa, men de hårda fasta ämnena kan bara skapa försumbar ytspänning jämfört med en bulkelastisk energi.

I deras studie, Katsufuji och hans team använde vanadatföreningen BaV ₁₀ O ₁₅ , en oxid med vanadin och barium. Tidigare, de fann att vid 130K, eller cirka -140 ° C, riktningen av orbitaler som innehas av vanadiumets elektroner är i linje, utlöser en fasövergång känd som orbitalordning i denna förening.

"Att veta detta, vad vi gjorde i vår senaste studie var att delvis ersätta vanadin med titan, ett kemiskt element som ligger till vänster om vanadin i det periodiska systemet, för att styra övergångstemperaturen för orbitalordningen, "Katsufuji förklarar." Vi avslöjade att kärnbildningstillväxtprocessen skedde genom att mäta den elektriska resistivitetens tidsberoende, magnetisk känslighet, och belastningen i orbitalordningen av detta vanadat, och upptäckte att elektronerna hade skapat två ångvattenliknande mjuka faser i detta organiska fasta ämne och att det fanns ytspänning mellan de två faserna. "

Förr, metoder för att erhålla önskvärda egenskaper med tvåfas samexistens i fasta ämnen har testats med olika material och anordningar, men i de flesta fall det har varit svårt att kontrollera volymförhållandet och formerna för de två faserna. Dock, det förväntas att för dessa nyupptäckta mjuka faser, att styra volymförhållandet och dess former kunde göras lättare. Också, BaV ₁₀ O ₁₅ är känd för sin utmärkta prestanda som ett termoelektriskt material som kan generera elektricitet från temperaturskillnader, gör denna förening med två faser som samexisterar ett attraktivt material.

Katsufuji tillägger, "Anledningen till att kärnbildningstillväxt sker i BaV ₁₀ O ₁₅ beror på att ytspänningen mellan de två faserna är ganska stor till följd av kopplingen av frihetsgrader som kallas orbitaler och snurrar i elektroner. Vi hoppas kunna utveckla forskningen ur perspektivet att detta är ett nytt fenomen som härrör från sådana kopplade grader av elektroners frihet. "

Forskarna planerar att mäta olika fysiska mängder av vanadatföreningen vid ett tillstånd där de två faserna samexisterar och förstår hur dess fysiska egenskaper kan förändras liksom hur dess egenskaper kan förbättras som ett funktionellt material. Ytterligare, BaV ₁₀ O ₁₅ är det första materialet som en oorganisk förening där kärnbildningstillväxt observerades, men det kommer att bli nödvändigt att ta reda på om det finns andra material som uppvisar kärnbildningstillväxtbeteende.