Le BaTiS3 est terrible pour conduire la chaleur, et il s’avère qu’un atome de titane qui existe à deux endroits en même temps doit faire des reproches

Le solide cristallin BaTiS3 (sulfure de titane de baryum) est terrible à conduire la chaleur, et il s’avère qu’un atome de titane capricieux qui existe à deux endroits en même temps est à blâmer

La découverte, faite par des chercheurs de Caltech, USC, et du laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du département de l’énergie, a été publiée le 27 novembre dans la revue Nature Communications Il fournit un aperçu fondamental au niveau atomique d’une propriété thermique inhabituelle qui a été observée dans plusieurs matériaux Les travaux présentent un intérêt particulier pour les chercheurs qui explorent l’utilisation potentielle de solides cristallins à faible conductivité thermique dans les applications thermoélectriques, dans lesquelles la chaleur est directement convertie en énergie électrique et vice versa.

«Nous avons constaté que les effets de la mécanique quantique peuvent jouer un rôle important dans la définition des propriétés de transport thermique des matériaux, même dans des conditions familières comme la température ambiante», déclare Austin Minnich, professeur de génie mécanique et de physique appliquée à Caltech et co-correspondant auteur de l’article Nature Communications

Les cristaux sont généralement bons pour conduire la chaleur Par définition, leur structure atomique est très organisée, ce qui permet aux vibrations atomiquesla chaleurde les traverser sous forme d’onde Les lunettes, on the other hand, sont terribles pour conduire la chaleur Leur structure interne est désordonnée et aléatoire, ce qui signifie que les vibrations sautent d’atome en atome lorsqu’elles traversent

BaTiS3 appartient à une classe de matériaux appelés chalcogénures liés à la pérovskite Jayakanth Ravichandran, professeur adjoint au département de génie chimique et science des matériaux de la famille Mork de l’USC Viterbi, et son équipe les ont étudiés pour leurs propriétés optiques et ont récemment commencé à étudier leurs applications thermoélectriques

«Nous pensions que BaTiS3 aurait une faible conductivité thermique, mais la valeur était étonnamment basse Notre étude montre un nouveau mécanisme pour atteindre une faible conductivité thermique. La question suivante est donc de savoir si les électrons du système circulent de manière transparente contrairement à la chaleur pour obtenir de bonnes propriétés thermoélectriques », explique Ravichandran

L’équipe a découvert que BaTiS3, ainsi que plusieurs autres solides cristallins, possédaient une conductivité thermique «semblable au verre» Non seulement sa conductivité thermique est comparable à celle des verres désordonnés, mais elle s’aggrave à mesure que la température baisse, ce qui est le contraire de la plupart des matériaux. In fact, sa conductivité thermique à des températures cryogéniques est parmi les pires jamais observées dans un solide entièrement dense (non poreux).

L’équipe a découvert que l’atome de titane dans chaque cristal BaTiS3 existe dans ce que l’on appelle un potentiel à double puitsc’est-à-dire qu’il y a deux emplacements spatiaux dans la structure atomique où l’atome veut être L’atome de titane existant à deux endroits en même temps donne naissance à ce que l’on appelle un «système à deux niveaux«In that case, l’atome de titane a deux états: un état fondamental et un état excité Les vibrations atomiques qui passent sont absorbées par l’atome de titane, qui passe du sol à l’état excité, puis se désintègre rapidement à l’état fondamental L’énergie absorbée est émise sous la forme d’une vibration et dans une direction aléatoire

L’effet global de cette absorption et émission de vibrations est que l’énergie est dispersée plutôt que transférée proprement Une analogie serait de faire briller une lumière à travers un verre dépoli, avec les atomes de titane comme givre; les ondes entrantes dévient du titane et seule une partie se fraye un chemin à travers le matériau

Les systèmes à deux niveaux existent depuis longtemps, mais il s’agit de la première observation directe d’un système qui était suffisant pour perturber la conduction thermique dans un matériau monocristallin sur une plage de température étendue, mesurée ici entre 50 and 500 Kelvin

Les chercheurs ont observé l’effet en bombardant des cristaux BaTiS3 avec des neutrons dans un processus connu sous le nom de diffusion inélastique en utilisant la source de neutrons de spallation à ORNL Lorsqu’ils traversent les cristaux, les neutrons gagnent ou perdent de l’énergie Cela indique que l’énergie est absorbée par un système à deux niveaux dans certains cas et leur est transmise dans d’autres.

«Il a fallu un vrai travail de détective pour résoudre ce mystère sur la structure et la dynamique des atomes de titane Au début, il semblait que les atomes étaient simplement en désordre de position, mais la faible profondeur du puits potentiel signifiait qu’ils ne pouvaient pas rester dans leurs positions très longtemps », explique Michael Manley, chercheur principal à l’ORNL et co-auteur correspondant de Nature Document de communication C’est à ce moment-là que Raphael Hermann, chercheur à l’ORNL, a suggéré de faire des calculs quantiques pour le double puits «Que les atomes peuvent tunnel est bien connu, of course, mais nous ne nous attendions pas à le voir à une fréquence aussi élevée avec un atome aussi grand dans un cristal Mais la mécanique quantique est claire: si la barrière entre les puits est suffisamment petite, un tel effet tunnel haute fréquence est en effet possible et devrait entraîner une forte diffusion des phonons et donc une conductivité thermique semblable à celle du verre », explique Manley.

L’approche conventionnelle pour créer des solides cristallins à faible conductivité thermique consiste à créer de nombreux défauts dans ces solides, ce qui nuit à d’autres propriétés telles que la conductivité électrique Ainsi, une méthode pour concevoir des matériaux cristallins à faible conductivité thermique sans nuire aux propriétés électriques et optiques est hautement souhaitable pour les applications thermoélectriques. Une petite poignée de solides cristallins présente la même mauvaise conductivité thermique, donc l’équipe prévoit ensuite d’explorer si ce phénomène est également à blâmer dans ces matériaux.

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News – United States – The titanium atom exists in two places at the same time – Technology Times
Associated title :
Titanium Atom existe à deux endroits à la Même temps
Atome de titane qui existe à deux endroits à la fois dans le cristal à blâmer pour phénomène inhabituel

Source: https://www.technologytimes.pk/2020/12/04/titanium-atom-exists-in-two-places-at-the-same-time/

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