Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert un nouveau type inhabituel de transformation de phase dans le métal de transition zirconium. Le mécanisme sous-jacent à ce nouveau type de transition de phase est le premier du genre jamais observé, et ne pouvait être vu qu'avec l'application de très hautes pressions. La recherche a été récemment publiée par Examen physique B comme une communication rapide.

L'équipe a réalisé des expériences en utilisant une cellule à enclume de diamant, qui a comprimé l'élément de base zirconium à une pression de plus de 200 gigapascals (GPa), un peu plus de la moitié de la pression trouvée au centre de la Terre. Depuis plusieurs décennies, il est connu que le zirconium se transforme en une structure de réseau cubique centrée (bcc) à des pressions supérieures à 25 GPa. Ce n'est pas la fin de l'histoire, cependant : Continuez à comprimer le zirconium au-delà de 58 GPa et il subira une autre transition de phase, mais, étrangement, le réseau atomique restera bcc.

« Bien que des systèmes simples, tels que des éléments métalliques, ont été étudiés en compression statique depuis plus de cinq décennies, il existe encore des mécanismes physiques inexplorés impliqués dans leur comportement structurel, " dit Elissaios Stavrou, membre du personnel de la Division des sciences des matériaux du LLNL et auteur principal de la recherche.

Ayant une transition de phase du premier ordre, avec des changements de volume et d'enthalpie, restant dans le même réseau, est un type étrange de transition de phase que l'on appelle « isostructurale ». Avant cette étude, le seul élément du tableau périodique connu pour subir une transition isostructurale était le cérium. La transformation de phase dans le cérium est entraînée par des changements dans la structure électronique qui se produisent avec la compression. En zircone, la transition isostructurale ne se produit pas en raison de changements électroniques, mais dans la façon dont les atomes vibrent.

Selon Stavrou, « les transitions de phase du premier ordre sous pression sont généralement associées à des structures d'enthalpie inférieure ou à des transitions électroniques. Dans ce travail, nous remettons en cause cette intuition et soulignons que des mécanismes alternatifs, comme l'anharmonie, pourrait déclencher une telle transition de phase même à température ambiante."

Pour aider à démêler le mécanisme en jeu, des simulations de dynamique moléculaire quantique - des calculs très intenses qui résolvent l'équation de Schrödinger de la mécanique quantique en ligne avec le mouvement des atomes sur l'échelle de temps de la picoseconde - ont révélé que les modes vibrationnels du réseau de zirconium subissent un changement soudain lorsque son volume est réduit par la pression appliquée , provoquant la transition de phase d'une manière qui est du premier ordre.

« Les simulations de principes premiers complètent la découverte expérimentale par un contrôle précis des conditions de simulation. Dans ce cas, nous avons pu déclencher l'anharmonicité du réseau dans nos simulations et donc apporté une clarification du mécanisme qui induit la transition de phase découverte dans ces expériences, " a expliqué le physicien Lin Yang, un expert en simulation de dynamique moléculaire quantique. Yang souligne que les simulations nécessaires pour observer ce mécanisme sont bien au-delà de ce que les chercheurs sont généralement capables de sonder.

"Afin de déclencher le mécanisme d'anharmonicité dans la dynamique du réseau, nous avons dû faire de très longues simulations. Nous avons la chance que LLNL abrite les supercalculateurs les plus puissants au monde qui permettent cette échelle de simulation, " dit Yang.

Le plus intriguant, cette découverte récente met en évidence la possibilité qu'il existe d'autres éléments du tableau périodique qui pourraient également posséder une transition de phase isostructurale entraînée de manière anharmonique comme le zirconium.

"Le zirconium a un comportement intéressant, mais dans le grand schéma des choses, c'est juste un autre métal de transition relativement simple. Et encore, malgré son apparente simplicité, nous observons un comportement émergent assez complexe à haute pression. Qui peut dire que d'autres métaux dits simples pourraient également ne pas générer une complexité considérable ?, " dit Jon Belof, chef de groupe au sein de la Division Science des Matériaux au LLNL et chef de projet pour la R&D des transitions de phase à haute pression. "Maintenant que nous savons que ce mécanisme existe, nous savons quoi chercher - la course est maintenant lancée pour que le reste de la communauté sous haute pression trouve ces effets ailleurs sur le tableau périodique. "