Les scientifiques peuvent passer beaucoup de temps dans des débats houleux sur de minuscules détails - par exemple, comment et si les atomes d'un cristal se déplacent lorsqu'ils sont chauffés, modifiant ainsi la symétrie. En utilisant des simulations informatiques pour le tellurure de plomb minéral sur le supercalculateur CSCS Piz Daint, Des chercheurs de l'ETH ont résolu une controverse de longue date.

Aux étrangers, les questions scientifiques peuvent parfois ressembler à des cheveux en quatre. Ces questions, cependant, sont souvent cruciaux, comme en science des matériaux :l'utilisation commerciale d'un matériau dépend de ses propriétés. Une question qui dépend beaucoup d'une telle coupe en quatre est celle que Boris Sangiorgio a abordée dans sa thèse de doctorat. Dans le groupe de recherche du professeur Nicola Spaldin à l'Institut de théorie des matériaux, Sangiorgio a utilisé le superordinateur Piz Daint pour examiner le comportement du tellurure de plomb (PbTe) lorsqu'il se réchauffe. Le tellurure de plomb apparaît dans la nature sous forme d'altaïte, un minéral sulfosel. Altaite peut convertir l'énergie thermique en énergie électrique, ce qui signifie qu'il a des propriétés thermoélectriques.

Le rover martien se déplace à l'aide de tellurure de plomb

Les matériaux thermoélectriques sont devenus populaires dans l'aérospatiale dans les années 1960, et restent largement utilisés aujourd'hui ; par exemple, un générateur thermoélectrique en tellurure de plomb alimente le rover martien Curiosity depuis 2012.

Il y a environ sept ans, cependant, une étude sur le tellurure de plomb a déclenché un différend entre les scientifiques des matériaux. À l'époque, les chercheurs sont arrivés à la conclusion que lorsque le tellurure de plomb est chauffé, le phénomène d'emphanisis se produit. En termes simples, le chauffage provoque le déplacement local des atomes de plomb dans le cristal, réduire la symétrie locale. Précédemment, seul le processus inverse était connu :l'échauffement provoquait une augmentation de la symétrie.

L'emphanisis est resté mal compris jusqu'à ce que l'équipe de Spaldin examine ce phénomène dans le tellurure de plomb à l'aide du supercalculateur. Les simulations montrent que lorsque le minéral est chauffé, la symétrie est rompue localement. Cependant, lorsque le cristal est considéré dans son ensemble, la symétrie cubique d'origine est conservée.

Pour de vraies expériences avec le minéral, les scientifiques ont travaillé en collaboration avec des chercheurs de la plate-forme à rayons X du département des matériaux de l'ETH et ont utilisé une technique de diffusion des rayons X qui a fourni une visibilité de haute précision de la structure cristalline atomique. Les résultats de ces essais correspondaient très étroitement à ceux de la simulation, confirmant ainsi les résultats de la simulation. Les chercheurs ont ensuite pu aller plus loin dans les simulations que dans l'expérimentation et découvrir ce qui se cache derrière le processus d'emphanisis dans le tellurure de plomb.

Nouveau phénomène

Les simulations montrent que le chauffage du cristal entraîne de fortes vibrations acoustiques et optiques. Ces vibrations se chevauchent et sont couplées entre elles, qui produit un phénomène qui n'a jamais été observé auparavant :dû aux vibrations couplées, des dipôles corrélés se forment dans le cristal, avec des paires d'atomes de Pb et de Te fluctuant et s'orientant en fonction de leurs charges. « Vu dans son ensemble, cependant, les atomes sont toujours dans une position très symétrique, " dit Sangiorgio. La symétrie globale est conservée. Les chercheurs soupçonnent que ce processus est essentiel pour le comportement thermoélectrique du tellurure de plomb. Cela pourrait également être vrai d'autres matériaux (appelés ferroélectriques) qui, comme le tellurure de plomb, sont proches d'une transition de phase ferroélectrique.

"La fonctionnalité du tellurure de plomb est probablement basée sur un équilibre sensible entre les propriétés électroniques et structurelles, " dit Sangiorgio. Comprendre la structure locale et la dynamique du tellurure de plomb est essentiel pour que les scientifiques expliquent le comportement du matériau. Ces découvertes les aideront à créer ou à trouver des matériaux thermoélectriques plus efficaces à l'avenir. Les matériaux thermoélectriques ne sont pas seulement intéressants pour l'aérospatiale. recherche ; ils pourraient également aider à utiliser plus efficacement la chaleur résiduelle des usines d'incinération ou des voitures dans la production d'électricité.