Gli scienziati dei materiali del Caltech hanno scoperto un nuovo modo in cui il calore modifica le proprietà fisiche di un materiale.

Sperimentando una lega di ferro e titanio (FeTi), un team guidato da Brent Fultz del Caltech ha scoperto che l'aumento del calore altera la topologia della superficie di Fermi del materiale, una mappa astratta degli stati energetici ammissibili che possono essere occupati dagli elettroni.

Fultz, la Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., Professore di Scienza dei Materiali e Fisica Applicata nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate, paragona una superficie di Fermi a un pianeta coperto da un oceano liscio e da masse rocciose. L'oceano è fatto di elettroni, mentre la terra rappresenta i vuoti dove gli elettroni non sono presenti. Mettere un elemento sotto pressione estrema, come quello nel centro della Terra, può far emergere forme di terra in agguato appena sotto la superficie, a sua volta alterando dove è probabile che si trovino gli elettroni. La comparsa di queste nuove caratteristiche in una superficie di Fermi è chiamata transizione topologica elettronica (ETT). Il concetto di ETT è stato proposto dal fisico russo I. M. Lifshitz nel 1960, e gli ETT sono stati osservati sottoponendo i metalli a pressioni dell'ordine di 100, 000 atmosfere.

Il riscaldamento fa sì che gli elettroni si muovano all'interno della superficie di Fermi, ma, come con le onde che si muovono sull'acqua, le coste, i confini tra elettroni e vuoti privi di elettroni, rimangono più o meno le stesse. Però, Fultz e i suoi colleghi hanno notato che poiché anche il calore sposta gli atomi, il riscaldamento può in alcuni casi rivelare morfologie nascoste sotto la superficie di quel metaforico mare di Fermi.

In termini pratici, alterare la topologia della superficie di Fermi altera le proprietà chimiche di un metallo o di una lega, che a sua volta altera la sua conduttività elettrica.

Il valore potenziale per gli ingegneri risiede nel fatto che è molto più facile aumentare la temperatura di un materiale piuttosto che metterlo sotto il tipo di pressione necessaria per forzare un ETT. "Le pressioni necessarie per causare un ETT sono intense, mentre le variazioni di temperatura necessarie sono relativamente basse, " dice Fultz. Infatti, sono necessari gigapascal di pressione per causare un ETT, cioè decine di migliaia di volte la pressione dell'atmosfera terrestre. Però, Fultz e i suoi colleghi hanno notato che gli ETT si verificano entro centinaia di gradi Fahrenheit dal cambiamento di temperatura.

La scoperta è stata una specie di incidente, il risultato dell'analisi computazionale di risultati anomali durante l'esecuzione di test di diffusione di neutroni su una lega FeTi che è di interesse per gli ingegneri perché è straordinariamente forte ed elastica.

La diffusione dei neutroni rivela dettagli sulla struttura atomica di un materiale. Nel metodo, un raggio di neutroni viene sparato su un materiale e le energie e gli angoli dei neutroni dispersi vengono registrati e analizzati. In particolare, Il gruppo di Fultz stava usando la diffusione di neutroni per studiare le vibrazioni degli atomi nei cristalli, che quasi sempre si muovono e ronzano leggermente. I ricercatori hanno scoperto che, con l'aumento delle temperature, i modelli specifici di ronzio sono cambiati drasticamente in un modo che non poteva essere spiegato attraverso meccanismi noti.

Studente laureato Caltech Fred Yang (MS '15), autore principale di un articolo sulla scoperta apparso sulla rivista Lettere di revisione fisica , ha eseguito numerose simulazioni al computer che suggerivano che il cambiamento correlato alla temperatura potesse essere spiegato da un ETT in FeTi.

Prossimo, Fultz e Yang hanno in programma di esplorare altri elementi con caratteristiche in agguato appena sotto le loro superfici di Fermi.