Kristallijne vaste stoffen die de typische faseovergang vertonen, brengen een verandering in de kristalstructuur met zich mee. Dergelijke structurele faseovergangen treden gewoonlijk op bij eindige temperaturen. Het beheersen van de chemische samenstelling van het kristal kan echter de overgangstemperatuur verlagen tot het absolute nulpunt (−273°C). Het overgangspunt op het absolute nulpunt wordt het structurele kwantumkritische punt genoemd.
Wetenschappers uit Metropolitaanse Universiteit van Osaka hebben een voorheen onbekende faseovergang blootgelegd waarin kristallen amorfe eigenschappen verwerven terwijl ze hun kristallijne eigenschappen behouden. Hun onderzoek helpt bij het creëren van hybride materialen die worden gebruikt in ruwe omgevingen zoals de ruimte.
De structurele faseverandering in de diëlektrische verbinding Ba1-xSrxAl2O4 wordt aangedreven door een zachte akoestische modus, waarvan het atomaire trillingspatroon lijkt op geluidsgolven. Ba/Sr-atomen en een AlO4-tetraëdrisch netwerk vormen het molecuul.
Wetenschappers ontdekten dat er een zeer ongeordende atomaire rangschikking wordt gevormd in het AlO4-netwerk bij chemische samenstellingen nabij het structurele kwantumkritische punt, resulterend in zowel kristallijne als amorfe materiaaleigenschappen.
Ba1-xSrxAl2O4 is een kristallijne vaste stof. De wetenschappers ontdekten echter dat Ba1-xSrxAl2O4 de thermische eigenschappen van amorfe materialen vertoont, d.w.z. een lage thermische geleidbaarheid equivalent aan die van glasmaterialen, bij hogere Sr-concentraties dan het structurele kwantumkritische punt (bijvoorbeeld silicaglas). Ze merkten dat de onsamenhangend gestopte akoestische zachte modus ervoor zorgt dat een deel van de atomaire structuur periodiciteit verliest. Hierdoor wordt een periodieke Ba-opstelling gecombineerd met een glasachtig Al-O-netwerk gerealiseerd.
Wetenschappers zijn de eersten die deze hybride toestand ontdekken. Het kan eenvoudig worden gemaakt door grondstoffen gelijkmatig te mengen en te verwarmen.
Universitair hoofddocent Yui Ishii van de Graduate School of Engineering van de Osaka Metropolitan University zei, “In principe kan het fenomeen dat in dit onderzoek wordt onthuld, optreden in materialen met zachte akoestische modi. Door deze techniek op verschillende materialen toe te passen, kunnen we mogelijk hybride materialen creëren die de fysieke eigenschappen van kristallen combineren, zoals optische eigenschappen en elektrische geleiding, met de lage thermische geleidbaarheid van amorfe materialen. Bovendien kan de hoge hittebestendigheid van kristallen worden gebruikt om isolatiematerialen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt in ruwe omgevingen, zoals in de ruimte.”
Journal Reference:
- Y. Ishii et al. Gedeeltelijke afbraak van translatiesymmetrie op een structureel kwantumkritisch punt geassocieerd met een ferro-elektrische zachte modus. Fysieke beoordeling B DOI: 10.1103/PhysRevB.106.134111
