تحقیقات جدید نشان می دهد که استرس و کرنش ساختار الکترونیکی فلز را تغییر می دهد

این تحقیق که در مجله Science منتشر شده است،  برای اولین بار به صورت تجربی نشان می دهد که خواص الکترونیکی و مکانیکی یک فلز به هم مرتبط هستند. قبلاً از نظر تئوری فهمیده شده بود که یک ارتباط وجود خواهد داشت، اما تصور می‌شد که برای تشخیص در آزمایش بسیار کوچک است.

دکتر کلیفورد هیکس، خواننده در فیزیک ماده متراکم، که روی این مطالعه کار کرد، گفت: «خواص مکانیکی معمولاً بر حسب پیوند بین اتم‌ها توصیف می‌شوند، در حالی که خواص الکترونیکی فلزات توسط حالت‌هایی توصیف می‌شوند که در بسیاری از اتم‌ها گسترش دارند. شبکه اتمی (اصطلاحی که برای توصیف آرایش اتم ها استفاده می شود) یک فلز و خواص مکانیکی آن به طور کلی تصور می شود که تحت تأثیر حالت های الکترونیکی اشغال شده یا خالی بودن آنها قرار ندارد، اما در این کار نشان می دهیم که اینطور نیست. همیشه یک فرض خوب.»

محققان دانشگاه بیرمنگام و موسسه ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدات (در درسدن، آلمان) آزمایشاتی را بر روی فلز ابررسانا استرانسیوم روتنات (Sr 2 RuO 4 ₎ انجام _دادند . با اندازه‌گیری اعوجاج شبکه به عنوان تابعی از تنش اعمالی، تیم دریافتند که وقتی Sr ₂ RuO ₄ حدود 0.5 درصد فشرده می‌شود، اندازه‌گیری سفتی مکانیکی که به عنوان مدول یانگ شناخته می‌شود حدود 10 درصد کاهش می‌یابد و سپس حدود 20 درصد افزایش می‌یابد. هنگامی که مواد بیشتر فشرده می شود. این تغییر مربوط به اشغال شدن مجموعه جدیدی از حالات الکترونیکی است، در انتقالی که قبلاً از طریق اندازه گیری های الکترونیکی اما نه مکانیکی شناسایی شده بود.

هیکس ادامه داد: «در حالی که اندازه‌گیری روابط تنش-کرنش در مهندسی مکانیک کاملاً استاندارد است، اما برای مطالعه خواص الکترونیکی انجام نشده است. این به این دلیل است که فلزاتی که خواص الکترونیکی جالبی دارند، ترد هستند و اعمال نیروهای بزرگ را سخت می‌کنند. همچنین، کرنش‌های بزرگ معمولاً برای تغییر معنی‌دار خواص الکترونیکی مورد نیاز هستند. در این آزمایش، نمونه‌های Sr ₂ RuO ₄ تا یک درصد فشرده شدند. برای تجسم آن، تصور کنید که یک متری که از گرانیت ساخته شده است بگیرید و آن را فشار دهید تا 99 سانتی متر طول داشته باشد.

برای غلبه بر این موانع، دانشمندان مجبور شدند ابزار دقیق جدیدی بسازند که بتواند نمونه‌های کوچک و ظریف را اندازه‌گیری کند و دماهای برودتی را کنترل کند، زیرا اندازه‌گیری‌های الکترونیکی در دماهای پایین‌تر دقیق‌تر هستند. این پنج سال برنامه ریزی و طراحی طول کشید.

این تحقیق که توسط بنیاد تحقیقات آلمان (Deutsche Forschungsgemeinschaft) و انجمن ماکس پلانک تأمین مالی شده است، اولین تحقیق در نوع خود است.

اکنون که این آزمایش روی یک ماده کامل شده است، دانشمندان مشتاق هستند اندازه‌گیری‌های مشابهی را روی فلزات دیگر انجام دهند. نسخه‌ای از ماشین توسعه‌یافته برای این پروژه توسط یک شرکت مهندسی مستقر در بریتانیا ساخته شده است و با توسعه بیشتر دستگاه ممکن است در مطالعه آلیاژهای با استحکام بالا کاربرد پیدا کند. این پروژه نمونه ای از این که چگونه تحقیقات بنیادی مبتنی بر کنجکاوی می تواند به فناوری جدید با کاربردهای عملی منجر شود ارائه می دهد.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه بیرمنگام منتشر شد