Los científicos de materiales de Caltech han descubierto una nueva forma en que el calor modifica las propiedades físicas de un material.

Experimentando con una aleación de hierro y titanio (FeTi), un equipo dirigido por Brent Fultz de Caltech descubrió que el aumento de calor altera la topología de la superficie Fermi del material, un mapa abstracto de los estados de energía permitidos que pueden ser ocupados por electrones.

Fultz, Barbara y Stanley R. Rawn, Jr., Catedrático de Ciencia de Materiales y Física Aplicada en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, compara una superficie de Fermi con un planeta cubierto por un océano suave y masas de tierra rocosas. El océano está formado por electrones, mientras que la tierra representa vacíos donde los electrones no están presentes. Colocar un elemento bajo una presión extrema, como la del núcleo de la Tierra, puede hacer que emerjan accidentes geográficos que acechan justo debajo de la superficie. alterando a su vez dónde es probable que se encuentren los electrones. La aparición de estas nuevas características en una superficie de Fermi se denomina transición topológica electrónica (ETT). El concepto de ETT fue propuesto por el físico ruso I. M. Lifshitz en 1960, y ETTs se han observado sometiendo metales a presiones del orden de 100, 000 atmósferas.

El calentamiento hace que los electrones se agiten dentro de la superficie de Fermi, pero, como olas que se mueven sobre el agua, las costas, los límites entre los electrones y los vacíos sin electrones, permanecen prácticamente iguales. Sin embargo, Fultz y sus colegas notaron que debido a que el calor también desplaza a los átomos, En algunos casos, el calentamiento puede revelar accidentes geográficos ocultos bajo la superficie de ese metafórico mar de Fermi.

En terminos practicos, alterar la topología de la superficie de Fermi altera las propiedades químicas de un metal o aleación, que a su vez altera su conductividad eléctrica.

El valor potencial para los ingenieros radica en el hecho de que es mucho más fácil elevar la temperatura de un material que colocarlo bajo el tipo de presión necesaria para forzar un ETT. "Las presiones necesarias para provocar un ETT son intensas, mientras que los cambios de temperatura necesarios son comparativamente bajos, "dice Fultz. De hecho, Se requieren gigapascales de presión para causar un ETT, es decir, decenas de miles de veces la presión de la atmósfera terrestre. Sin embargo, Fultz y sus colegas notaron que los ETT ocurren dentro de cientos de grados Fahrenheit de cambio de temperatura.

El descubrimiento fue una especie de accidente:el resultado de la búsqueda computacional de resultados anómalos mientras se realizaban pruebas de dispersión de neutrones en una aleación de FeTi que es de interés para los ingenieros porque es notablemente fuerte y estirable.

La dispersión de neutrones revela detalles sobre la estructura atómica de un material. En el método, se dispara un haz de neutrones a un material y se registran y analizan las energías y los ángulos de los neutrones dispersos. En particular, El grupo de Fultz estaba usando la dispersión de neutrones para estudiar las vibraciones de los átomos en los cristales, que casi siempre se mueven y zumban ligeramente. Los investigadores encontraron que, con temperaturas crecientes, los patrones específicos de zumbidos cambiaron drásticamente de una manera que no podría explicarse a través de mecanismos conocidos.

Fred Yang, estudiante graduado de Caltech (MS '15), autor principal de un artículo sobre el descubrimiento que aparece en la revista Cartas de revisión física , Ejecutó numerosas simulaciones por computadora que sugirieron que el cambio relacionado con la temperatura podría explicarse mediante un ETT en FeTi.

Próximo, Fultz y Yang planean explorar otros elementos con características que acechan justo debajo de sus superficies Fermi.