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Nanoclusters de Propriedades Não Metálicas do Indicador do Nióbio em Temperaturas Ultra-Frias

Quando não é um metal um metal?

A introdução do 23 de maio da Ciência do jornal responde a que pergunta com uma conta do comportamento surpreendente exibido por conjuntos da nanômetro-escala do nióbio do metal. Quando os conjuntos são refrigerados abaixo de 20 graus de Kelvin, as cargas elétricas neles deslocam de repente, criando as estruturas conhecidas como dipolos.

“Isto é muito estranho, porque nenhum metal é supor para poder fazer isto,” disse Walter de Heer, um professor na Escola da Física no Instituto de Tecnologia de Geórgia e no co-autor do papel publicado no assunto na Ciência. “Estes conjuntos tornam-se polarizados espontâneamente, com os elétrons que movem-se para um lado do conjunto sem razão aparente. Um lado de cada conjunto torna-se negativo-cobrado, e o outro lado torna-se positivo-cobrado. Os conjuntos travam nesse comportamento e ficam essa maneira.”

Este fenômeno ferroelectric tem sido observado até agora nos conjuntos de nióbio, de vanádio e de tântalo - três metais de transição que no formulário maioria se tornam superconducting na temperatura mais ou menos idêntica que os pesquisadores observam a formação de dipolos nos conjuntos minúsculos. De Heer acredita que esta descoberta abrirá um campo de pesquisa novo - e fornecerá indícios ao mistério da supercondutividade.

Em metais maiorias - e mesmo em conjuntos do nióbio na temperatura ambiente - a carga elétrica está distribuída normalmente ingualmente durante todo a amostra a menos que um campo elétrico for aplicado. Mas nos conjuntos de até 200 átomos do nióbio criados por de Heer e colaboradores Ramiro Moro, Xiaoshan Xu e Shuangye Yin, que muda quando as partículas forem refrigeradas menos de 20 graus de Kelvin.

Os pesquisadores da Tecnologia de Geórgia descobriram esta “simetria espontânea que quebra” ao procurarar por sinais da supercondutividade nos conjuntos da nanômetro-escala. Era completamente inesperada - e de Heer admite que não tem nenhuma explicação para ela.

“Quando isto acontece, estas partículas que são feitas fora dos átomos do metal já não comportam-se como se eram metálicas,” o disseram. “Algo muda as partículas de um metal em algo mais.”

Para os conjuntos os menores, a força do efeito do dipolo varia dramàtica de acordo com o tamanho. Os Conjuntos compor de 14 átomos indicam efeitos fortes, quando aqueles compo de 15 átomos mostrarem pouco efeito. Acima de 30 átomos, os conjuntos com números uniformes de átomos indicam uns efeitos mais fortes do dipolo do que conjuntos com números impares de átomos.

“Estruture matérias extremamente a este processo,” de Heer disse. “Uma pequena alteração pode afectar a posição da transição de fase um pouco profunda, e o regime exacto dos átomos realmente importa a estes sistemas.”

Atribui a sensibilidade do tamanho ao regime do tamanho do quantum, que é relacionado às limitações em como os elétrons podem se mover em conjuntos muito pequenos.

De Heer não vê a “prova circunstancial forte,” mas nenhuma prova contínua, que o fenômeno está conectado à supercondutividade nestes metais.

“Nossa suposição é que a supercondutividade nos materiais de maioria tem algo fazer com a produção espontânea de dipolo nas partículas pequenas,” ele disse. “Neste momento, é prova circunstancial - os mesmos materiais e o mesmo regime da temperatura, e as transições de fase impares que ocorrem em ambos. Estudando diversos metais diferentes, nós encontramos que aqueles que são superconducting no volume têm este efeito, e aqueles que não são superconducting não os têm. Isso reforça nossa opinião que este está conectado à supercondutividade de uma certa maneira que nós não compreendemos ainda.”

Para produzir e estudar os conjuntos minúsculos, os pesquisadores usam um instrumento feito por encomenda que inclua um laser, uma grande câmara de vácuo, um hélio líquido e um detector especialmente projetado capaz de contar e caracterizar diverso milhão partículas pela hora.

Primeiramente, um raio laser é visado uma haste do nióbio guardarada dentro da câmara de vácuo. Os Pulsos do laser vaporizam o nióbio, criando uma nuvem do vapor metálico. Um córrego do gás muito frio do hélio é injectado então na câmara, fazendo com que o gás do nióbio condense-se em partículas de tamanhos de variação. Sob pressão do hélio ultra-frio, as partículas retiram através de um furo pequeno na parede da câmara, criando um jato um milímetro-largo das partículas que passe entre duas placas de metal antes de bater o detector.

Em intervalos um minuto distante, as placas de metal são energizadas com os 15.000 volts, criando um campo elétrico forte. O campo interage com os nanoclusters polarizados do nióbio, fazendo com que sejam deflexionados longe do detector. Os conjuntos Unpolarized permanecem no feixe e são contados pelo detector

Comparando leituras do detector quando as placas estiverem energizadas contra as leituras quando nenhum campo é aplicado, os pesquisadores aprendem que conjuntos levam o dipolo. A produção contínua de partículas permite que a equipa de investigação de Heer recolha dados em milhões de partículas durante cada experiência. Variando a temperatura e a tensão, estudam o impacto destas mudanças no efeito.

Até agora, estudaram em detalhe conjuntos de até 200 átomos, embora de Heer acredita que o efeito deve continuar em conjuntos maiores, em talvez até 500 átomos ou tanto como como 1.000.

“Este é apenas o começo o que será finalmente uma história muito emocionante,” do ele disse. “Nós temos certamente muito trabalho a fazer.”

A pesquisa foi patrocinada pelo Departamento de Defesa dos E.U., pelo National Science Foundation e pelo Instituto de Tecnologia de Geórgia.

22 de maio de 2003 Afixadond

Date Added: Nov 18, 2003 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 12. June 2013 02:01

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