Une nouvelle méthode de spectroscopie révèle une dynamique de relaxation accélérée dans le cérium comprimé

7 juin 2023

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par Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research

Une pierre d'achoppement majeure dans notre compréhension du verre et des phénomènes du verre est la relation insaisissable entre la dynamique de relaxation et la structure du verre. Une équipe dirigée par le Dr Qiaoshi Zeng de HPSTAR a récemment développé une nouvelle méthode in situ de spectroscopie de corrélation de photons à rayons X grand angle à haute pression pour permettre des études de dynamique de relaxation à l'échelle atomique dans des systèmes de verre métallique sous des pressions extrêmes. L'étude est publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).

Les verres métalliques (MG), dotés de nombreuses propriétés supérieures aux métaux et aux verres conventionnels, ont fait l'objet de recherches mondiales. En tant que matériaux thermodynamiquement métastables, comme les verres typiques, les MG évoluent spontanément vers leurs états les plus stables tout le temps grâce à divers comportements dynamiques de relaxation.

Ces comportements de relaxation ont des effets significatifs sur les propriétés physiques des MG. Pourtant, jusqu'à présent, la capacité des scientifiques à approfondir la compréhension de la dynamique de relaxation du verre et en particulier de ses relations avec les structures atomiques a été limitée par les techniques disponibles.

"Grâce aux récentes améliorations de la spectroscopie de corrélation de photons à rayons X synchrotron (XPCS), il est possible de mesurer les mouvements collectifs de particules d'échantillons vitreux avec une haute résolution et une large couverture dans l'échelle de temps, et ainsi, divers processus dynamiques microscopiques autrement inaccessibles ont été exploré dans les verres », a déclaré le Dr Zeng.

"Cependant, le changement des structures atomiques est subtil dans les mesures précédentes du processus de relaxation, ce qui rend encore difficile de sonder la relation entre la structure et le comportement de relaxation. Pour surmonter ce problème, nous avons décidé d'utiliser une pression élevée car elle peut alterner efficacement la structure. de divers matériaux, y compris MG."

À cette fin, l'équipe a développé in situ un synchrotron haute pression grand angle XPCS pour sonder un matériau MG à base de cérium pendant la compression. L'XPCS grand angle à haute pression in situ a révélé que le mouvement atomique collectif ralentit initialement, comme on s'y attend généralement avec l'augmentation de la densité. Ensuite, contre-intuitivement, il accélère avec une compression supplémentaire, montrant un croisement dynamique de relaxation stable induit par la pression non monotone inhabituel à ~ 3 GPa.

De plus, en combinant ces résultats avec la diffraction des rayons X synchrotron haute pression in situ, l'anomalie de la dynamique de relaxation est étroitement corrélée aux changements spectaculaires des structures atomiques locales pendant la compression, plutôt qu'à une mise à l'échelle monotone avec la densité de l'échantillon ou le niveau de contrainte global.

"Avec l'augmentation de la densité, les atomes dans les verres deviennent généralement plus difficiles à déplacer ou à diffuser, ce qui ralentit sa dynamique de relaxation. C'est ce que nous attendons normalement de la compression hydrostatique", a expliqué le Dr Zeng.

"Ainsi, le comportement de relaxation non monotone observé ici dans le MG à base de cérium sous pression est assez inhabituel, ce qui indique qu'outre la densité, les détails structurels pourraient également jouer un rôle important dans la dynamique de relaxation du verre", a expliqué le Dr Zeng.

Ces résultats démontrent qu'il existe une relation étroite entre la dynamique de relaxation du verre et les structures atomiques dans les MG. La technique développée ici par le groupe du Dr Qiaoshi Zeng peut également être étendue pour explorer la relation entre la dynamique de relaxation et les structures atomiques dans divers verres, en particulier ceux accordables de manière significative par compression, offrant de nouvelles opportunités pour les études de dynamique de relaxation du verre dans des conditions extrêmes.

Plus d'information: Qiaoshi Zeng et al, Croisement non monotone induit par la pression de la dynamique de relaxation constante dans un verre métallique, Actes de l'Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.230228112

Informations sur la revue :Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research