I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno scoperto un nuovo tipo insolito di trasformazione di fase nello zirconio del metallo di transizione. Il meccanismo alla base di questo nuovo tipo di transizione di fase è il primo del suo genere che sia mai stato osservato, e si poteva vedere solo con l'applicazione di pressioni molto elevate. La ricerca è stata recentemente pubblicata da Revisione fisica B come Comunicazione Rapida.

Il team ha eseguito esperimenti utilizzando una cella a incudine di diamante, che ha compresso l'elemento base zirconio ad una pressione di oltre 200 gigapascal (GPa), poco più della metà della pressione riscontrata al centro della Terra. Per diversi decenni, è noto che lo zirconio si trasforma in una struttura reticolare cubica a corpo centrato (bcc) a pressioni superiori a 25 GPa. Questa non è la fine della storia, tuttavia:continua a comprimere lo zirconio oltre i 58 GPa e subirà un'altra transizione di fase, ma, stranamente, il reticolo atomico rimarrà bcc.

"Sebbene sistemi semplici, come elementi metallici, sono stati studiati sotto compressione statica per più di cinque decenni, esistono ancora meccanismi fisici inesplorati coinvolti nel loro comportamento strutturale, " disse Elissaios Stavrou, un membro dello staff della Divisione Scienza dei Materiali presso LLNL e autore principale della ricerca.

Avere una transizione di fase del primo ordine, con variazioni sia di volume che di entalpia, pur rimanendo nello stesso reticolo, è uno strano tipo di transizione di fase che viene definita "isostrutturale". Prima di questo studio, l'unico elemento della tavola periodica noto per subire una transizione isostrutturale era il cerio. La trasformazione di fase nel cerio è guidata da cambiamenti nella struttura elettronica che si verificano con la compressione. Nello zirconio, la transizione isostrutturale non si verifica a causa di cambiamenti elettronici, ma nel modo in cui vibrano gli atomi.

Secondo Stavrou, "Le transizioni di fase del primo ordine sotto pressione sono solitamente associate a strutture a entalpia inferiore o a transizioni elettroniche. In questo lavoro, sfidiamo questa intuizione ed evidenziamo che meccanismi alternativi, come l'anarmonia, potrebbe innescare tale transizione di fase anche a temperatura ambiente."

Per aiutare a svelare il meccanismo in gioco, simulazioni di dinamica molecolare quantistica - calcoli molto intensi che risolvono l'equazione di Schrödinger della meccanica quantistica in linea con il movimento degli atomi sulla scala temporale dei picosecondi - hanno rivelato che i modi vibrazionali del reticolo di zirconio subiscono uno spostamento improvviso quando il suo volume viene ridotto dalla pressione applicata , provocando la transizione di fase in un modo che è del primo ordine.

"Le simulazioni dei principi primi forniscono un complemento alla scoperta sperimentale mediante un controllo preciso delle condizioni di simulazione. In questo caso, siamo stati in grado di innescare l'anarmonicità reticolare nelle nostre simulazioni e quindi abbiamo fornito un chiarimento del meccanismo che induce la transizione di fase scoperto in questi esperimenti, " ha spiegato il fisico Lin Yang, un esperto in simulazione di dinamica molecolare quantistica. Yang sottolinea che le simulazioni necessarie per osservare questo meccanismo sono ben oltre ciò che i ricercatori sono in genere in grado di sondare.

"Al fine di innescare il meccanismo di anarmonicità nella dinamica reticolare, abbiamo dovuto eseguire simulazioni molto lunghe. Siamo fortunati che LLNL ospita i supercomputer più potenti del mondo che consentono questa scala di simulazione, " ha detto Yang.

Più intrigante, questa recente scoperta evidenzia la possibilità che ci siano altri elementi della tavola periodica che potrebbero anche possedere una transizione di fase isostrutturale guidata anarmonicamente come lo zirconio.

"Lo zirconio ha un comportamento interessante, ma nel grande schema delle cose è solo un altro metallo di transizione relativamente semplice. E ancora, nonostante la sua apparente semplicità, stiamo osservando alcuni comportamenti emergenti piuttosto complessi ad alta pressione. Chi può dire che altri cosiddetti metalli semplici potrebbero non generare anche una notevole complessità?, " ha detto Jon Belof, un capogruppo nella Divisione Scienza dei Materiali presso LLNL e capo progetto per la R&S delle transizioni di fase ad alta pressione. "Ora che sappiamo che questo meccanismo esiste, sappiamo cosa cercare:ora è iniziata la corsa per il resto della comunità dell'alta pressione per trovare questi effetti altrove sulla tavola periodica".