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과학

재료 팽창 양자 효과

by ○●○●◑◐◐◑● 2020. 4. 7.

비정상적인 재료 팽창이나 가능한 양자 효과

냉동실에 물병을 넣기 전에 물병에 공간을 남겨두면 물이 얼어붙어 팽창한다는 사실을 수용할 수 있습니까? 비행기에서 대부분의 금속 부품은 더 일반적인 반대 문제에 직면합니다. 높은 고도에서는 수축합니다. 이러한 수축으로 인해 심각한 재난이 발생하지 않도록 엔지니어는 복합재 또는 합금으로 비행기를 만들어 팽창 특성이 반대인 재료를 혼합하여 균형을 맞춥니다. 미국 에너지 부의 브룩 헤이븐 국립 연구소에서 부분적으로 수행된 새로운 연구는 이 물질과학 균형 법에 완전히 새로운 종류의 화학 원소를 가져올 수 있습니다.다니엘 마조 네는 이 프로젝트가 냉각되면 사마륨 황화물이 극적으로 팽창하게 하는 메커니즘을 탐구하도록 이끌었습니다. 물리 저널에 방금 발표된 논문에서 설명한 바와 같이 과학자들은 미국 과학부, 미국 과학부 사용자 시설에서 엑스레이를 사용했으며 두 개의 다른 싱크로트론 광원을 사용했습니다. 저온에서 극적으로 팽창하는 특이한 금속이 놀랍지 않나요? 일부 불순물로 도핑된 사마륨 설파이드에 대한 실험은 물질의 원자 수준 구조와 음의 열팽창의 전자 기반 기원에 대한 세부 사항을 밝혀냈습니다. 이 작업은 화학 레시피를 조정하여 확장 정도를 정확하게 조정할 수 있는 새로운 재료를 설계할 수 있는 길을 열어줍니다. 또한 금속 혼합 응용 분야에서 탐색할 수 있는 몇 가지 관련 재료를 제안합니다. 비행기나 전자 장치 등 실제 응용 분야에서는 이러한 반대 속성을 가진 재료의 합금을 만들고 싶어 합니다. 한쪽이 팽창하면 다른 쪽이 식으면 수축하고 전체적으로 동일하게 유지됩니다.논문 책임자이자 박사 후 연구원인 다니엘 메존과 브룩 하벤 랩의 응축 물리학 재료 과학부에 대해 설명했습니다. 그러나 식었을 때 물의 팽창을 모방한 재료는 거의 없습니다. 그리고 냉동 수의 팽창은 잘 알려져 있지만, 사마륨 황화물의 극적인 팽창은 설명된 적이 없습니다. 메존이 연구 한 다른 물질과 마찬가지로, 이 사마륨 기반 화합물 은 경쟁하는 전자상이 특징입니다. 온도 및 압력과 같은 외부 조건에 따라 재료의 전자가 다른 작업을 수행할 수 있습니다. 어떤 경우에는, 물질은 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 금색의 금속입니다. 다른 조건에서는 검은색 반도체이므로 일부 전자만 흐를 수 있습니다. 황금색 금속 상태는 식었을 때 극적으로 팽창하여 매우 특이한 금속입니다. 메존과 그의 동료들은 엑스레이와 전자의 행동에 대한 이론적 설명으로 이유를 알아냈습니다. 페어 분포 함수 빔라인에서 과학자들은 회절 실험을 수행했습니다. PDF 빔라인은 저온 및 자기장과 같은 다양한 외부 조건에서 강하게 상관된 재료를 연구하는 데 최적화되어 있습니다. 이 실험을 위해 연구팀은 엑스레이 빔에서 액체 헬륨 냉각식 크라이오 스타트에 사마륨 금속 샘플을 놓고 엑스레이가 다른 온도에서 재료의 결정 구조를 구성하는 원자에서 어떻게 튀어나왔는지 측정했습니다. PDF 빔라인의 수석 과학자인 밀린다 아비 쿤은 우리는 엑스레이가 샘플에서 어떻게 튀어나와 원자의 위치와 그 사이의 거리를 식별하는지 추적합니다. 우리의 결과는 온도가 내려감에 따라 물질의 원자가 더 멀어지면서 전체 물질이 부피의 3% 까지 팽창 함을 보여줍니다. 이 팀은 또한 프랑스의 솔레일 싱크로트론과 일본의 스프링 나인 싱크로트론에서 엑스레이를 사용하여 온도에 의한 전이의 다른 단계에서 물질에서 전자가 무엇을 했는지 자세히 조사했습니다.물리학자인 이그나 스 자리 게는 이러한 엑스레이 흡수 분광법 실험은 전자가 사마륨 원자 주변의 전자의 가장 바깥쪽 쉘 내부로 이동하고 있는지를 추적할 수 있습니다. 화학의 기초 중 하나로 돌아 가면, 외부 껍질이 채워지지 않은 원자가 가장 반응하는 경향이 있다는 것을 기억할 것입니다. 사마륨의 외피는 절반밖에 안됩니다. 메존은 모든 물리학은 본질적으로 이 마지막 껍질에 담겨 있으며, 이것은 가득하지 않거나 비어 있지 않습니다. 전자 추적 엑스레이 실험은 사마륨 황화물 금속을 통해 흐르는 전자가 각각의 사마륨 원자 주위의 외부 껍질로 이동하고 있음을 밝혀 냈습니다. 여분의 전자를 수용하기 위해 각 원자의 전자구름이 자라면서 전체 물질이 팽창했습니다. 그러나 과학자들은 여전히 물리 이론에 근거한 행동을 설명해야 했습니다.켄트대학의 이론 물리학자인 막심 드제로의 계산 덕분에 물리학자 준 콘도의 이름을 따서 명명된 소위 콘도 효과로 이 현상을 설명할 수 있었습니다. 콘도 효과의 기본 개념은 전자가 물질의 자기 불순물과 상호 작용하여 더 큰 자성 입자의 반대 방향으로 자신의 스핀을 정렬하여 자기를 스크린 아웃하거나 취소한다는 것입니다. 드제로는 사마륨 황화물 물질에서 각 사마륨 원자의 거의 반 전체 외피가 특정 방향을 가리키는 작은 자기 불순물로 작용한다고 설명했습니다. 드제로는 금속이 있기 때문에 이 작은 자기 모멘트에 접근하여 이를 제거할 수 있는 자유 전자를 발견할 수 있다고 합니다. 황금 사마륨 황화물 샘플의 각 사마륨 원자는 작은 자기 모멘트를 갖습니다.냉각될 때, 콘도 효과라고 불리는 현상은 금속의 일부 자유 전자가 사마륨 원자의 전자 쉘로 이동하여 이러한 자기 모멘트를 차단하여 저온에서 재료가 극적으로 팽창하게 합니다. 콘도 효과에 영향을 받는 모든 요소가 전자가 가장 바깥쪽 껍질을 채우는 것은 아닙니다. 전자가 껍질을 떠나게 하는 다른 방법으로도 갈 수 있기 때문입니다. 방향은 양자 역학의 규칙에 의해 지시된 섬세한 에너지 균형에 의해 결정됩니다. 일부 요소의 경우 외부 쉘이 채워지는 방식으로 인해 전자가 쉘 밖으로 이동하는 것이 더 에너지 적으로 유리합니다. 그러나 이 두 재료의 경우 전자가 이동할 수 있어 팽창할 수 있다고 자리게는 말했습니다. 사마륨 이외에 다른 두 원소는 툴륨과 이테르븀입니다. 자리게는 냉각시 팽창하는 재료를 만들기 위한 추가 성분으로 이러한 다른 원소를 함유 한 화합물을 탐색할 가치가 있다고 했습니다. 마지막으로, 과학자들은 불순물 농도에 따라 사마륨 설파이드의 음의 열팽창 정도를 조정할 수 있다고 언급했습니다.

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