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磁性和自旋

磁性和自旋

近藤效应引起巨大的负热膨胀

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丹尼尔·马佐内在实验室中。 (礼貌:布鲁克黑文国家实验室)

大多数金属在加热时会膨胀,在冷却时会收缩。但是,有些金属则相反,表现出负热膨胀(NTE)。由...领导的研究团队 伊格尼斯(Ignace Jarrige)丹尼尔·马佐内布鲁克黑文国家实验室 美国的科学家现已发现,在一种这样的金属中,掺钇的硫化one(SmS)中的NTE与一种称为Kondo效应的量子多体现象有关。这项工作可能使开发出正负膨胀相互抵消的合金成为可能,从而生产出热膨胀净值为零的复合材料,这是航空航天和高科技制造领域其他应用的高度期望的特性。

即使在NTE材料家族中,掺钇的SmS也是一个异常值,当冷却几百度时,它会逐渐膨胀高达3%。为了更好地理解这种“巨大”的NTE行为背后的机理,Mazzone和Jarrige使用X射线衍射和光谱法研究了该材料的电子性能。

研究人员在 对分布函数 (PDF)Brookhaven的光束线 国家同步加速器光源(II) (NSLS-II)。他们将他们的SmS样品放在同步加速器X射线束中的液氦冷却的低温恒温器中,并测量了X射线如何从原子离子周围的电子云中散射出来。通过跟踪这些X射线的散射方式,他们确定了原子在晶体结构中的位置以及它们之间的间距。

“我们的结果表明,随着温度的下降,这种材料的原子移动得更远,导致整个材料的体积膨胀达3%,”他说。 米琳达·艾比昆,PDF梁线上的首席科学家。

第二组实验在 独家同步加速器 在法国和 SPring-8同步加速器 在日本。 Jarrige解释说,这些测量使用X射线吸收光谱法来跟踪电子是移动到Sm原子的最外层(价)壳中还是从中移出,Sm原子的壳层几乎充满一半。研究人员发现,流过SmS金属的电子确实正在进入价壳中,导致整个材料随着每个原子的电子云的增长而膨胀,以容纳更多的传入电子。

m原子充当微小的磁性杂质

根据研究人员的说法,这种行为可以通过近藤效应来解释,近藤效应描述了传导电子如何与材料中的磁性杂质相互作用。在这种相互作用期间,电子以与较大磁性粒子的自旋相反的方式排列其自旋,从而有效地“屏蔽”或抵消了其磁性。

在SmS中,每个Sm原子的半价全价壳层充当指向特定方向的微小磁性杂质。 马克西姆·德泽罗(Maxim Dzero),是一位理论物理学家 肯特州立大学与Jarrige和Mazzone合作。由于SmS是金属,因此它还包含可移动的电子,该电子可以接近并抵消杂质的磁矩。然后,电子可以进入价壳,将其填充并导致材料膨胀。

探索其他稀土基材料

Dzero的计算表明,可以通过改变钇掺杂量来调整NTE的幅度,尽管Mazzone指出,需要进一步检验这一假设。研究人员还预测,其他两种稀土金属,and和and,应表现出近藤效应驱动的NTE,Mazzone说,看看膨胀幅度是否与Sm一样大是很有趣的。他补充说,在迄今为止研究的其他稀土金属中,负热膨胀程度至多微妙。

目前的研究,在 体检信对于开发热膨胀接近于零的复合材料可能很重要。这样的材料将包含合金,它们在冷却时会在一侧膨胀而在另一侧收缩,从而使整体尺寸保持不变。这种类型的材料可用于制造飞机机翼中的金属零件,这些零件通常包含具有相反膨胀特性的复合材料或合金,以防止在高海拔的低温下发生危险的收缩。其他应用包括经受热循环的微电子设备中的温度稳定触点以及望远镜和卫星镜中的基板材料。

Brookhaven和其他研究小组报告的掺钇SmS的NTE系数足以应付最苛刻的技术应用,但Jarrige承认Sm的高成本可能会限制其部署。

他说:“这就是为什么探索其他基于稀土的材料以更好地了解近藤效应如何引发材料的宏观宏观变化的重要性,” 物理世界。 “这些研究可以帮助我们找到一种更便宜的替代掺Y的SmS。”

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者