Skoro svaki materijal, bilo da je čvrst, tečan ili gas, širi se kada temperatura raste i skuplja se kada temperatura pada. Ovo svojstvo, nazvano termička ekspanzija, čini da balon na vrući vazduh pluta, a fenomen je iskorišćen za stvaranje termostata koji automatski uključuju i isključuju kućnu peć. Železnice, mostovi i zgrade dizajnirani su imajući u vidu ovu imovinu i daju im prostor da se prošire bez izvijanja ili lomljenja tokom vrelog dana.
Do toplotnog širenja dolazi zato što atomi materijala vibriraju više kako se temperatura povećava. Što više njegovi atomi vibriraju, to se više odguruju od svojih susednih atoma. Kako se prostor između atoma povećava, gustina materijala se smanjuje i njegova ukupna veličina se povećava.
Postoji nekoliko izuzetaka, ali uglavnom se materijali striktno pridržavaju ovog principa. Postoji, međutim, klasa metalnih legura pod nazivom Invari (mislite da su „nepromenljive“), koje tvrdoglavo odbijaju da promene veličinu i gustinu u velikom rasponu temperatura.
„Skoro je nečuveno pronaći metale koji se ne šire“, kaže Stefan Lohaus, diplomirani student nauke o materijalima i glavni autor novog rada. „Ali 1895. godine, jedan fizičar je slučajno otkrio da ako kombinujete gvožđe i nikl, od kojih svaki ima pozitivnu toplotnu ekspanziju, u određenoj proporciji, dobijate ovaj materijal veoma neobičnog ponašanja.
To anomalno ponašanje čini ove legure korisnim u primenama gde je potrebna ekstremna preciznost, kao što je proizvodnja delova za satove, teleskope i druge fine instrumente. Do sada niko nije znao zašto se Invari ovako ponašaju. U novom radu pod naslovom „Termodinamičko objašnjenje Invarovog efekta“, objavljenom u Nature Phisics, istraživači iz laboratorije Brent Fultz, Barbara i Stanlei R. Ravn, Jr., profesor nauke o materijalima i primenjene fizike, kažu da su zaključili otkriti tajnu bar jedne Invarove postojanosti.
Već više od 150 godina naučnici znaju da je toplotno širenje povezano sa entropijom, centralnim konceptom u termodinamici. Entropija je mera poremećaja, kao što su položaji atoma, u sistemu. Kako temperatura raste, raste i entropija sistema. Ovo je univerzalno tačno, tako da se neobično ponašanje Invara mora objasniti nečim što se suprotstavlja toj ekspanziji.
Lohaus kaže da se dugo sumnjalo da je ovo ponašanje na neki način povezano sa magnetizmom jer se samo određene legure koje su feromagnetne (sposobne da budu magnetizovane) ponašaju kao invari.
„Odlučili smo da to pogledamo jer imamo ovu veoma urednu eksperimentalnu postavku koja može da meri i magnetizam i atomske vibracije“, kaže Lohaus. „To je bio savršen sistem za ovo.“
Pošto su magnetna svojstva materijala rezultat takozvanog spinskog stanja njegovih elektrona – kvantne mere ugaonog momenta koji može biti „gore“ ili „dole“ – svaki magnetni efekat koji se suprotstavlja očekivanom širenju materijala mora biti posledica aktivnost njegovih elektrona.
Odnos između entropije, toplotnog širenja i pritiska, poznat kao „Maksvelovi odnosi“ često se predstavlja kao kuriozitet iz udžbenika, ali je Caltech grupa pronašla način da ga koristi za nezavisno merenje toplotnog širenja izazvanog magnetizmom i vibracijama atoma. Eksperimenti su rađeni u Advanced Photon Source, izvoru sinhrotronskih rendgenskih zraka u Nacionalnoj laboratoriji Argonne u Ilinoisu, merenjem vibracionih spektra i magnetizma malih uzoraka Invara pri pritiscima unutar ćelije dijamantskog nakovnja.
Merenja su pokazala delikatno poništavanje toplotnog širenja usled vibracija atoma i magnetizma. Oba su se menjala sa temperaturom i pritiskom, ali na način koji je održavao ravnotežu. Koristeći novorazvijeni tačan teorijski pristup, saradnici na ovom radu pokazali su kako je ovoj ravnoteži pomogla interakcija između vibracija i magnetizma, kao što je gde se frekvencije vibracija atoma menjaju magnetizmom. Takva sprega između vibracija i magnetizma mogla bi biti korisna za razumevanje termičkog širenja u drugim magnetnim materijalima, kao i za razvoj materijala za magnetno hlađenje.
Eksperimentalna postavka se sastojala od ćelije dijamantskog nakovnja, koja je u suštini dva precizno brušena dijamantska vrha između kojih se uzorci materijala mogu čvrsto stisnuti. U ovom slučaju, mali komad legure Invar je stisnut pod pritiskom od 200.000 atmosfera. Istraživači su propuštali snažan snop rendgenskih zraka kroz leguru, a tokom tog procesa rendgenski zraci su stupili u interakciju sa vibracijama (fononima) njenih atoma. Ta interakcija je promenila količinu energije koju nose rendgenski zraci, omogućavajući istraživačima da izmere koliko su atomi vibrirali.
Takođe su postavili senzore oko ćelije dijamantskog nakovnja koji mogu detektovati obrasce interferencije stvorene spinskim stanjem elektrona koji pripadaju atomima uzorka.
Tim je koristio svoju eksperimentalnu postavku da posmatra i atomske vibracije Invar uzorka i spin stanje njegovih elektrona dok su povećavali temperaturu uzorka. Na nižim temperaturama, više Invarovih elektrona je delilo isto spinsko stanje, zbog čega su se udaljavali i gurali svoje roditeljske atome dalje.
Kako je temperatura Invara rasla, spinsko stanje nekih od tih elektrona se sve više okretalo. Kao rezultat toga, elektronima je postalo udobnije da se priklanjaju svojim susednim elektronima. Obično bi to prouzrokovalo kontrakciju Invara kako se zagreva. Ali ovde su Invarovi atomi takođe vibrirali više i zauzimali više prostora. Kontrakcija usled promene spinskih stanja i ekspanzija atomske vibracije su se suprotstavljali jedno drugom, a Invar je ostao iste veličine.
„Ovo je uzbudljivo jer je ovo problem u nauci više od stotinu godina“, kaže Lohaus. „Postoje bukvalno hiljade publikacija koje pokušavaju da pokažu kako magnetizam izaziva kontrakciju, ali nije bilo holističkog objašnjenja Invarovog efekta.“
Koautori su diplomirani studenti nauke o materijalima Pedro Guzman i Kamil M. Bernal-Čoban, posetilac primenjene fizike i nauke o materijalima Claire N. Saunders, Guoiin Shen iz Nacionalne laboratorije Argonne, Olle Hellman sa Veizman instituta za nauku, David Broido i Matthev Heine sa Bostonskog koledža i Fultz.
