Le tecniche nucleari hanno svolto un ruolo importante nel determinare la struttura cristallina di un raro tipo di lega intermetallica che presenta superconduttività.

La ricerca, che è stato recentemente pubblicato su Conti di ricerca chimica , era un'impresa guidata da ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, con la collaborazione dell'Università Nazionale Ivan-Franko di Lviv, l'Università tecnica di Friburgo, l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, e ANSTO.

Le leghe metalliche complesse (CMA) hanno il potenziale per agire come catalizzatori e servire come materiali per dispositivi che convertono il calore in energia (generatori termoelettrici) o utilizzano la refrigerazione magnetica per migliorare l'efficienza energetica dei sistemi di raffreddamento e controllo della temperatura.

I generatori termoelettrici sono utilizzati per applicazioni remote a bassa potenza o dove non sarebbero possibili motori termici più ingombranti ma più efficienti.

Le proprietà uniche dei CMA derivano dalla loro intricata sovrastruttura, con ogni cella unitaria ripetitiva comprendente centinaia o migliaia di atomi.

Lo studio si è concentrato su una fase di berillio e platino, Be21Pt5. Il basso potere di diffusione dei raggi X degli atomi di berillio aveva precedentemente costituito una barriera per i ricercatori che tentavano di risolvere la struttura dei CMA ricchi di berillio, come Be21Pt5, utilizzando tecniche di diffrazione di raggi X su polvere.

Per localizzare gli atomi di berillio, i ricercatori hanno utilizzato il diffrattometro a polvere di neutroni ECHIDNA presso l'Australian Centre for Neutron Scattering.

Dottor Maxim Avdeev, uno scienziato degli strumenti, ha osservato che l'uso di fasci di neutroni in combinazione con i dati dei raggi X è stato fondamentale per risolvere la struttura.

"Poiché il berillio è un elemento leggero, disperderà i neutroni oltre i raggi X di un fattore di circa 20. Non è stato possibile localizzare gli atomi di berillio nel cristallo usando i raggi X, ma con la diffrazione di neutroni li abbiamo trovati facilmente."

"Poiché il berillio è un elemento leggero, diffonde debolmente i raggi X. Rispetto al platino, il contrasto è di circa 1-20. L'uso di neutroni cambia il rapporto a circa 16 a 20, il che ha permesso di trovare facilmente gli atomi di berillio nella struttura cristallina".

I dati della diffrazione di raggi X e polvere di neutroni sono stati integrati con calcoli di meccanica quantistica per determinare la distribuzione della densità elettronica che definisce le proprietà elettroniche del materiale.

I dati di diffrazione hanno indicato che la struttura cristallina di Be21Pt5 è stata costituita da quattro tipi di unità poliedriche o cluster nidificati. Ogni cluster conteneva quattro shell comprendenti 26 atomi con una distribuzione unica di difetti, luoghi in cui manca un atomo o posizionato irregolarmente nella struttura reticolare.

Gli esperimenti di diffrazione dei neutroni all'ANSTO hanno aiutato a determinare la struttura cristallina determinare la struttura di Be21Pt5, che consisteva di quattro cluster univoci (codificati a colori sopra nell'immagine), ciascuno contenente 26 atomi.

Anche la natura collaborativa dello studio è stata fondamentale per risolvere la struttura.

"Il campione fisico è stato sintetizzato in Germania e inviato in Australia per l'analisi. Una volta inviati i dati di diffrazione ai nostri collaboratori, sono stati in grado di risolvere la struttura presso le loro istituzioni di origine."

Avendo risolto la struttura cristallina, il team di ricerca ha anche rivolto la propria attenzione alle proprietà fisiche di Be21Pt5 e ha fatto una scoperta inaspettata. A temperature inferiori a 2 K, Si è scoperto che Be21Pt5 mostra superconduttività.

"È un caso abbastanza insolito che questa famiglia di composti intermetallici subisca una fase superconduttiva. Sono necessari ulteriori studi per capire cosa rende questo sistema speciale e gli esperimenti di diffusione di neutroni giocheranno un ruolo importante nel processo".