Dat scandiumtrifluoridekristallen bij stijgende temperatuur krimpen in plaats van uitzetten, komt door de aparte manier waarom de fluoride-ionen trillen. Mogelijk verklaart dit een hoop over andere materialen die afwijkend op warmte reageren, melden Caltech-onderzoekers in Physical Review Letters.

Dàt de simpele kubische kristalstructuur van ScF₃ een negatieve uitzettingscoëfficiënt vertoont, werd vorig jaar al duidelijk. Brnet Fultz, promovendus Chen Li en collega’s hebben nu de reden achterhaald door het kwantumgedrag van de atomen in het rooster op de computer te simuleren. Tevens bestudeerden ze het gedrag van het echte kristal door er neutronenstraling op af te vuren.

Zo kwamen ze er achter dat de fluoratomen ‘quartic oscillation’ vertonen, een trilling die zich laat beschrijven met een vierdegraadsvergelijking. In het kristalrooster horen ze precies tussen twee scandiumatomen te zitten. Maar ze trillen in een vlak dat loodrecht op de lijn tussen die Sc-atomen staat, en trekken dan dus aan beide atomen tegelijk. De trekkracht is daarbij evenredig aan de verplaatsing tot de vierde macht.

De scandiumatomen komen niet verder dan krachten die evenredig zijn aan de verplaatsing in het kwadraat. Het nettoresultaat is dat ze door het fluor naar elkaar toe worden getrokken. Hoe wrmaer het kristal, des te heftiger de trillingen en hoe verder de hele structuur krimpt.

Een filmpje maakt het allemaal wat duidelijker:

Het is voor het eerst dat fysici ‘quartic oscillation’ in kristallen echt goed in beeld krijgen. Fultz vermoedt echter dat er in andere materialen nog veel meer voorbeelden zullen worden gevonden, nu hij en zijn collega’s weten hoe ze er naar moeten zoeken.

In de praktijk zou het materialen kunnen opleveren waarin de diverse trillingen elkaar opheffen zodat netto helemaal geen reactie op temperatuurverandering meer optreedt.

bron: Caltech