As técnicas nucleares têm desempenhado um papel importante na determinação da estrutura cristalina de um tipo raro de liga intermetálica que exibe supercondutividade.

A pesquisa, que foi publicado recentemente no Contas de pesquisa química , foi um empreendimento liderado por pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, com a colaboração da Universidade Nacional Ivan-Franko de Lviv, a Universidade Técnica de Freiberg, o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, e ANSTO.

Ligas metálicas complexas (CMAs) têm o potencial de atuar como catalisadores e servir como materiais para dispositivos que convertem calor em energia (geradores termoelétricos) ou usam refrigeração magnética para melhorar a eficiência energética de sistemas de resfriamento e controle de temperatura.

Os geradores termoelétricos são usados ​​para aplicações remotas de baixa potência ou onde motores térmicos mais volumosos, mas mais eficientes, não seriam possíveis.

As propriedades únicas dos CMAs derivam de sua intrincada superestrutura, com cada célula unitária repetida compreendendo centenas ou milhares de átomos.

O estudo se concentrou em uma fase de berílio e platina, Be21Pt5. O baixo poder de espalhamento de raios-X dos átomos de berílio já havia representado uma barreira para os pesquisadores que tentavam resolver a estrutura de CMAs ricos em berílio, como Be21Pt5, usando técnicas de difração de pó de raios-X.

Para localizar os átomos de berílio, os pesquisadores usaram o difratômetro de pó de nêutrons ECHIDNA no Australian Centre for Neutron Scattering.

Dr. Maxim Avdeev, um cientista de instrumentos, observou que o uso de feixes de nêutrons em combinação com dados de raios-X foi a chave para resolver a estrutura.

"Uma vez que o berílio é um elemento leve, ele vai espalhar nêutrons mais longe do que os raios-X por um fator de aproximadamente 20. Não foi possível localizar os átomos de berílio no cristal usando raios-X, mas com difração de nêutrons nós os encontramos facilmente. "

"Uma vez que o berílio é um elemento leve, ele espalha os raios X fracamente. Comparado com a platina, o contraste é de cerca de 1 a 20. O uso de nêutrons muda a proporção para aproximadamente 16 para 20, o que permitiu encontrar átomos de berílio na estrutura cristalina facilmente. "

Dados de raios-X e difração de pó de nêutrons foram complementados com cálculos de mecânica quântica para determinar a distribuição da densidade eletrônica que define as propriedades eletrônicas do material.

Os dados de difração indicaram que a estrutura cristalina de Be21Pt5 foi construída a partir de quatro tipos de unidades ou aglomerados poliédricos aninhados. Cada cluster continha quatro camadas compreendendo 26 átomos com uma distribuição única de defeitos, lugares onde um átomo está faltando ou está colocado irregularmente na estrutura da rede.

Experimentos de difração de nêutrons na ANSTO ajudaram a determinar a estrutura cristalina e determinar a estrutura de Be21Pt5, que consistia em quatro clusters únicos (codificados por cores acima na imagem), cada um contendo 26 átomos.

A natureza colaborativa do estudo também foi fundamental para resolver a estrutura.

"A amostra física foi sintetizada na Alemanha e enviada para a Austrália para análise. Assim que enviamos os dados de difração de volta para nossos colaboradores, eles foram capazes de resolver a estrutura em suas instituições de origem. "

Tendo resolvido a estrutura cristalina, a equipe de pesquisa também voltou sua atenção para as propriedades físicas do Be21Pt5 e fez uma descoberta inesperada. Em temperaturas abaixo de 2 K, Be21Pt5 foi encontrado para exibir supercondutividade.

"É um caso bastante incomum para esta família de compostos intermetálicos passar por uma fase supercondutora. Mais estudos são necessários para entender o que torna este sistema especial e experimentos de espalhamento de nêutrons terão um papel importante no processo."