Kristalline Feststoffe, die den typischen Phasenübergang zeigen, beinhalten eine Veränderung der Kristallstruktur. Solche strukturellen Phasenübergänge treten normalerweise bei endlichen Temperaturen auf. Die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Kristalls kann jedoch die Übergangstemperatur auf den absoluten Nullpunkt (–273 °C) senken. Der Übergangspunkt am absoluten Nullpunkt wird als struktureller quantenkritischer Punkt bezeichnet.
Wissenschaftler aus Metropolitanuniversität Osaka haben einen bisher unerkannten Phasenübergang entdeckt, bei dem Kristalle amorphe Eigenschaften annehmen, während sie ihre kristallinen Eigenschaften behalten. Ihre Forschung hilft bei der Entwicklung von Hybridmaterialien, die in rauen Umgebungen wie dem Weltraum verwendet werden.
Die strukturelle Phasenänderung in der dielektrischen Verbindung Ba1-xSrxAl2O4 wird durch eine weiche akustische Mode angetrieben, deren atomares Schwingungsmuster ähnelt Schallwellen. Ba/Sr-Atome und ein tetraedrisches AlO4-Netzwerk bilden das Molekül.
Wissenschaftler entdeckten, dass sich im AlO4-Netzwerk bei chemischen Zusammensetzungen in der Nähe des strukturellen quantenkritischen Punkts eine stark ungeordnete Atomanordnung bildet, was sowohl zu kristallinen als auch zu amorphen Materialeigenschaften führt.
Ba1-xSrxAl2O4 ist ein kristalliner Feststoff. Die Wissenschaftler entdeckten jedoch, dass Ba1-xSrxAl2O4 die thermischen Eigenschaften von amorphen Materialien aufweist, dh eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die der von Glasmaterialien entspricht, bei höheren Sr-Konzentrationen als dem strukturellen quantenkritischen Punkt (z. B. Quarzglas). Sie bemerkten, dass der inkohärent gestoppte akustische Soft-Mode dazu führt, dass ein Teil der atomaren Struktur an Periodizität verliert. Als Ergebnis wird eine periodische Ba-Anordnung kombiniert mit einem glasartigen Al-O-Netzwerk realisiert.
Wissenschaftler sind die ersten, die diesen hybriden Zustand entdeckt haben. Es kann einfach durch gleichmäßiges Mischen der Rohstoffe und Erhitzen hergestellt werden.
Associate Professor Yui Ishii von der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University sagte, „Grundsätzlich kann das in dieser Forschung offenbarte Phänomen in Materialien auftreten, die weiche akustische Moden aufweisen. Die Anwendung dieser Technik auf verschiedene Materialien wird uns möglicherweise helfen, Hybridmaterialien zu schaffen, die die physikalischen Eigenschaften von Kristallen kombinieren, wie z. B. optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit, mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von amorphen Materialien. Darüber hinaus kann die hohe Hitzebeständigkeit von Kristallen genutzt werden, um Isolationsmaterialien zu entwickeln, die in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können.“
Journal Referenz:
- Y.Ishii et al. Teilweiser Zusammenbruch der Translationssymmetrie an einem strukturellen quantenkritischen Punkt, der mit einer ferroelektrischen weichen Mode verbunden ist. Körperliche Überprüfung B.. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.134111
