布鲁克海文国家实验室 金钐硫化物样品(插图)中的每个钐原子都有一个微小的磁矩(蓝色箭头)
冷却后，一种叫做近藤效应的现象导致金属中的一些自由电子(黄色箭头)移动到钐原子的最外层电子壳层来屏蔽这些电子 你知道在把水瓶放进冰箱之前，你是如何在水瓶中留出空间的——以适应水结冰时会膨胀的事实？飞机上的大多数金属部件面临着更普遍的相反问题
在高海拔地区(低温)，它们会收缩
为了防止这种收缩造成重大灾难，工程师们用复合材料或合金制造飞机，混合具有相反膨胀特性的材料来平衡彼此
部分在美国进行的新研究
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美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室可能会将一种全新的化学元素纳入这一材料科学平衡法案
正如刚刚发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文所描述的，科学家们在布鲁克海文的国家同步加速器光源二号(NSLS二号)上使用了x光
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能源部科学办公室用户设备——和另外两个同步加速器光源，探索一种在低温下会急剧膨胀的不寻常的金属
对掺杂了一些杂质的钐硫化物的实验揭示了材料的原子级结构的细节，以及它的“负热膨胀”的基于电子的起源
" 这项工作为设计新材料开辟了道路，通过调整化学配方可以精确调整膨胀度
它还提出了一些相关的材料，可以探索金属混合的应用
“在实际应用中，无论是飞机还是电子设备，你都希望制造具有这些相反性质的材料合金——当它们冷却时，一边膨胀，另一边收缩，所以总的来说保持不变，”该论文的主要作者、NSLS二号和布鲁克海文实验室凝聚态物理和材料科学部的博士后丹尼尔·马兹佐解释说
但是模拟水冷却时膨胀的材料少之又少
虽然冷冻水的膨胀是众所周知的，但是钐硫化物的急剧膨胀却从未被解释过
与Mazzone研究的其他材料一样，这种钐基化合物(特别是一些钇原子取代了一些钐原子的钐硫化物)的特点是具有竞争性的电子相(有点类似于水的固相、液相和气相)
根据温度和压力等外部条件，材料中的电子可以做不同的事情
在某些情况下，这种材料是一种能让电子自由移动的金色金属——导体
在其他情况下，它是黑色的半导体，只允许一些电子流动
金色金属状态是一种在冷却时会急剧膨胀的状态，这使得它成为一种极其不寻常的金属
Mazzone和他的同事转向x射线和电子行为的理论描述来找出原因
丹尼尔·马佐尼领导了这个项目，探索导致钐硫化物冷却时急剧膨胀的机制
学分:布鲁克海文国家实验室 在NSLS二世的双分布函数光束线上，科学家们进行了衍射实验
PDF束线针对在各种外部条件(如低温和磁场)下研究强相关材料进行了优化
在这个实验中，研究小组将钐金属的样品放在液氦冷却的低温恒温器中，放在NSLS二号的x射线束中，测量不同温度下x射线如何轰击构成材料晶体结构的原子
“我们跟踪x射线如何从样品上反射回来，以识别原子的位置和它们之间的距离，”粒子数据基金会束线的首席科学家米琳达·阿拜昆说
“我们的结果表明，随着温度的下降，这种材料的原子移动得更远，导致整个材料体积膨胀3%
" 该团队还利用法国SOLEIL同步加速器和日本SPring-8同步加速器的x射线，详细观察了在温度诱导转变的不同阶段，电子在材料中的作用
“这些‘x光吸收光谱’实验可以追踪电子是进入还是离开钐原子周围的电子的最外层‘壳’”，NSLS二号的物理学家，合著者伊格尼斯·杰瑞格解释道
如果你回想化学的一个基础，你可能会记得外层未填充的原子往往是最活泼的
钐的外壳刚好不到半满
“所有的物理本质上都包含在这个最后的壳里，这个壳不是满的，也不是空的，”Mazzone说
电子追踪x光实验显示，流经钐硫化物金属的电子正移动到围绕每个钐原子的外壳中
随着每个原子的电子云增长以容纳额外的电子，整个材料膨胀了
但是科学家们仍然必须根据物理理论来解释这种行为
在肯特州立大学理论物理学家马克西姆·泽罗的计算帮助下，他们能够用以物理学家君·近藤命名的所谓近藤效应解释这一现象
近藤效应背后的基本思想是，电子将与材料中的磁性杂质相互作用，使它们自己的自旋与较大的磁性粒子的方向相反，以“屏蔽”或抵消其磁性
Dzero解释说，在钐硫化物材料中，每个钐原子几乎半满的外壳充当指向某个方向的微小磁性杂质
“因为你有一种金属，你也可以找到自由电子，它们可以接近并抵消这些小磁矩，”德泽罗说
并非所有受到近藤效应影响的元素都有电子填满最外层的壳层，因为它也可以反过来——导致电子离开壳层
方向是由量子力学规则规定的微妙能量平衡决定的
“对于某些元素来说，由于外壳充满的方式，电子从外壳中移出在能量上更有利
但对于其中的一些材料，电子可以进入，这导致了膨胀，”杰瑞格说
除了钐，另外两种元素是铥和镱
杰瑞格说，值得探索的是，含有这些其他元素的化合物，可能是制造遇冷膨胀材料的额外成分
最后，科学家们指出，可以通过改变杂质的浓度来调整钐硫化物的负热膨胀程度
“这种可调性使得这种材料对工程膨胀平衡合金非常有价值，”马佐尼说
康涅狄格大学的合作者杰森·汉考克说:“高度发展的多体理论建模的应用是识别这种材料的磁性状态与其体积膨胀之间的联系的工作的重要组成部分。”
“肯特州立大学、康涅狄格大学、布鲁克海文实验室、合作伙伴同步加速器和日本的合成小组之间的合作，可能会引导新材料的发现工作，利用这些稀土材料的特殊性质
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