Les scientifiques des matériaux de Caltech ont découvert une nouvelle façon dont la chaleur modifie les propriétés physiques d'un matériau.

Expérimentation avec un alliage de fer et de titane (FeTi), une équipe dirigée par Brent Fultz de Caltech a découvert que l'augmentation de la chaleur modifie la topologie de la surface de Fermi du matériau - une carte abstraite des états d'énergie admissibles qui peuvent être occupés par des électrons.

Fultz, le Barbara et Stanley R. Rawn, Jr., Professeur de science des matériaux et de physique appliquée à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées, compare une surface de Fermi à une planète recouverte d'un océan lisse et de masses continentales rocheuses. L'océan est composé d'électrons, tandis que la terre représente des vides où les électrons ne sont pas présents. Placer un élément sous une pression extrême, comme celle du noyau terrestre, peut faire émerger des reliefs cachés juste sous la surface, à son tour modifiant l'endroit où les électrons sont susceptibles d'être trouvés. L'apparition de ces nouvelles caractéristiques dans une surface de Fermi est appelée transition topologique électronique (ETT). Le concept d'ETT a été proposé par le physicien russe I. M. Lifshitz en 1960, et des ETT ont été observés en soumettant les métaux à des pressions de l'ordre de 100, 000 atmosphères.

Le chauffage provoque le ballottement des électrons à l'intérieur de la surface de Fermi, mais, comme les vagues se déplaçant sur l'eau, les côtes - les frontières entre les électrons et les vides sans électrons - restent à peu près les mêmes. Cependant, Fultz et ses collègues ont remarqué que parce que la chaleur déplace également les atomes, le chauffage peut dans certains cas révéler des reliefs cachés sous la surface de cette mer de Fermi métaphorique.

En termes pratiques, la modification de la topologie de la surface de Fermi modifie les propriétés chimiques d'un métal ou d'un alliage, qui à son tour modifie sa conductivité électrique.

La valeur potentielle pour les ingénieurs réside dans le fait qu'il est beaucoup plus facile d'élever la température d'un matériau que de le placer sous le type de pression nécessaire pour forcer un ETT. "Les pressions nécessaires pour provoquer un ETT sont intenses, tandis que les changements de température nécessaires sont relativement faibles, " dit Fultz. En effet, gigapascals de pression sont nécessaires pour provoquer un ETT, c'est-à-dire des dizaines de milliers de fois la pression de l'atmosphère terrestre. Cependant, Fultz et ses collègues ont noté des ETT se produisant à des centaines de degrés Fahrenheit de changement de température.

La découverte était en quelque sorte un accident – ​​le résultat de la recherche informatique de résultats anormaux lors de la réalisation de tests de diffusion de neutrons sur un alliage FeTi qui intéresse les ingénieurs car il est remarquablement résistant et extensible.

La diffusion des neutrons révèle des détails sur la structure atomique d'un matériau. Dans la méthode, un faisceau de neutrons est tiré sur un matériau et les énergies et les angles des neutrons diffusés sont enregistrés et analysés. En particulier, Le groupe de Fultz utilisait la diffusion de neutrons pour étudier les vibrations des atomes dans les cristaux, qui bougent presque toujours et bourdonnent légèrement. Les chercheurs ont découvert que, avec l'augmentation des températures, les modèles spécifiques de bourdonnement ont radicalement changé d'une manière qui ne pouvait pas être expliquée par des mécanismes connus.

Fred Yang, étudiant diplômé de Caltech (MS '15), auteur principal d'un article sur la découverte paru dans la revue Lettres d'examen physique , a effectué de nombreuses simulations informatiques qui suggèrent que le changement lié à la température pourrait être expliqué par un ETT dans FeTi.

Prochain, Fultz et Yang prévoient d'explorer d'autres éléments avec des caractéristiques cachées juste en dessous de leurs surfaces de Fermi.