Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han descubierto un nuevo tipo inusual de transformación de fase en el circonio de metal de transición. El mecanismo subyacente a este nuevo tipo de transición de fase es el primero de este tipo que se ha observado, y solo se pudo ver con la aplicación de presiones muy altas. La investigación fue publicada recientemente por Revisión física B como comunicación rápida.

El equipo realizó experimentos utilizando una celda de yunque de diamante, que comprimió el elemento básico zirconio a una presión de más de 200 gigapascales (GPa), un poco más de la mitad de la presión que se encuentra en el centro de la Tierra. Durante varias décadas, Se sabe que el circonio se transforma en una estructura de celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc) a presiones superiores a 25 GPa. Ese no es el final de la historia sin embargo:siga comprimiendo circonio más allá de 58 GPa y se someterá a otra transición de fase, pero, extrañamente, la red atómica seguirá siendo bcc.

"Aunque son sistemas simples, como elementos metálicos, se han estudiado bajo compresión estática durante más de cinco décadas, todavía existen mecanismos físicos inexplorados involucrados en su comportamiento estructural, "dijo Elissaios Stavrou, miembro del personal de la División de Ciencia de Materiales de LLNL y autor principal de la investigación.

Tener una transición de fase de primer orden, con cambios tanto en volumen como en entalpía, pero permaneciendo en la misma celosía, es un tipo extraño de transición de fase que se conoce como "isoestructural". Antes de este estudio, el único elemento de la tabla periódica que se sabía que sufría una transición isoestructural era el cerio. La transformación de fase en el cerio es impulsada por cambios en la estructura electrónica que ocurren con la compresión. En circonio, la transición isoestructural no se produce debido a cambios electrónicos, sino en cómo vibran los átomos.

Según Stavrou, "Las transiciones de fase de primer orden bajo presión generalmente se asocian con estructuras de entalpía más baja o transiciones electrónicas. En este trabajo, desafiamos esta intuición y destacamos que los mecanismos alternativos, como la anarmonía, podría desencadenar dicha transición de fase incluso a temperatura ambiente ".

Para ayudar a desentrañar el mecanismo en juego, Las simulaciones de dinámica molecular cuántica (cálculos muy intensos que resuelven la ecuación de Schrödinger de la mecánica cuántica en línea con el movimiento de los átomos en la escala de tiempo de picosegundos) revelaron que los modos vibratorios de la red de circonio experimentan un cambio repentino a medida que su volumen se reduce por la presión aplicada. , provocando que la transición de fase se produzca de una manera de primer orden.

"Las simulaciones de primeros principios complementan el descubrimiento experimental mediante el control preciso de las condiciones de simulación. En este caso, pudimos activar la anarmonicidad de celosía en nuestras simulaciones y, por lo tanto, proporcionamos una aclaración del mecanismo que induce la transición de fase descubierta en estos experimentos, "explicó el físico Lin Yang, experto en simulación de dinámica molecular cuántica. Yang señala que las simulaciones necesarias para observar este mecanismo van mucho más allá de lo que los investigadores suelen sondear.

"Para activar el mecanismo de anarmonicidad en la dinámica de celosía, tuvimos que ejecutar simulaciones muy largas. Tenemos la suerte de que LLNL alberga las supercomputadoras más potentes del mundo que permiten esta escala de simulación, "dijo Yang.

Lo más intrigante, Este descubrimiento reciente destaca la posibilidad de que haya otros elementos de la tabla periódica que también podrían poseer una transición de fase isoestructural impulsada anarmónicamente como el circonio.

"El circonio tiene un comportamiento interesante, pero en el gran esquema de las cosas, es solo otro metal de transición relativamente simple. Y todavía, a pesar de su aparente simplicidad, estamos observando un comportamiento emergente bastante complejo a alta presión. ¿Quién puede decir que otros metales llamados simples podrían no generar también una complejidad considerable? "dijo Jon Belof, líder de grupo en la División de Ciencia de Materiales de LLNL y líder de proyecto para la I + D de transiciones de fase a alta presión. "Ahora que sabemos que existe este mecanismo, sabemos qué buscar; la carrera ahora está en marcha para que el resto de la comunidad de alta presión encuentre estos efectos en otra parte de la tabla periódica ".