Международная группа исследователей из США, Японии и Франции использовала несколько синхротронов для того, чтобы выяснить, почему сульфид самария, допированный иттрием, имеет такой гигантский отрицательный коэффициент теплового расширения. Результаты своей работы авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Большая часть известных нам материалов обладает положительным тепловым расширением. Это значит, что с повышением температуры их объем или линейные размеры увеличиваются. Но не так давно был открыт класс материалов, которые при нагревании, наоборот, уменьшаются в размерах, а при охлаждении увеличиваются. Отчасти это обуславливается переходом материала в другую, низкотемпературную, фазу, в которой атомы расположены на большем расстоянии друг от друга, чем в высокотемпературной. Увеличение размеров кристаллической решетки ведет к расширению материала.

Но существуют и другие параметры, влияющие на расширение таких необычных материалов. Это переход между электронными фазами. При различных условиях — температуре и давлении — такие соединения, как сульфид самария, могут менять тип проводимости, становясь, например, из проводника полупроводником. И именно в проводниковом состоянии такой материал способен резко расширяться при охлаждении.

Чтобы выяснить, почему так происходит, исследователи изучили допированный иттрием сульфид самария на трех синхротронных установках. Для этого ученые помещали образцы в криостат с жидким гелием и затем анализировали их кристаллическую структуру при различных температурах с использованием рентгеновских лучей.

В результате исследователи выяснили, что по мере снижения температуры атомы этого материала удаляются все дальше друг от друга. Тем самым объем образца может увеличиваться на достаточно высокую величину — 3%. Проведенные на другой установке эксперименты показали, что при понижении температуры электроны в таком материале начинают вести себя необычно: те из них, что находились в свободном состоянии, начинали связываться с атомами самария, заполняя их электронные уровни. Таким образом внешняя оболочка этих атомов росла, и их размер увеличивался. Вместе с ним рос и объем кристаллической решетки.