Ondes de chaleur dans un alliage à haute entropie : entre cristal et verre
Heat waves in a high entropy alloy: between crystal and glass
Shelby Turner, Valentina Giordano et Stéphane Pailhès (équipe Energie), en collaboration avec des collègues de Paris, Grenoble et d’Allemagne, ont publié un article intitulé "Phonon behavior in a random solid solution: a lattice dynamics study on the high-entropy alloy FeCoCrMnNi" dans la revue Nature Communications.
Shelby Turner, Valentina Giordano and Stéphane Pailhès (Energy team), in collaboration with colleagues from Paris, Grenoble and Germany, have published an article titled "Phonon behavior in a random solid solution: a lattice dynamics study on the high-entropy alloy FeCoCrMnNi" in Nature Communications.
Un alliage à haute entropie est un cristal constitué d’une maille élémentaire simple mais dont l’occupation des sites est équiprobable entre plusieurs atomes de nature différente. Il s’en suit un très fort désordre chimique malgré la structure périodique ordonnée. Cela leur confère des propriétés mécaniques et thermiques remarquables. On observe que leur conductivité thermique est bien plus basse que dans les matériaux simples qui les composent, et plus proches de celles des verres. Pour comprendre cette propriété, les auteurs ont étudié les ondes élémentaires du transport de la chaleur, les phonons, par des approches spectroscopiques de neutrons et de rayons X. Il s’avère que le spectre des phonons s’étend sur une large gamme de vecteurs d’onde et d’énergie, contrairement aux verres, mais que leur atténuation est plus importante que dans un cristal. Ces observations démontrent la singularité de la thermique des alliages à haute entropie à la frontière entre désordre et complexité structurale.
A high entropy alloy is a crystal with a simple unit cell whose sites are occupied with the same probability by 4-5 different atoms, leading to a strong chemical disorder despite the long range periodic order. This is at the origin of remarkable mechanical and thermal properties. Thermal conductivity is found to be much lower than in the simple crystals of the elements composing them, and more similar to the ones of glasses. To understand this, it is necessary to look to the collectif atomic displacements which constitute the heat waves. In order to understand this, the authors have investigated the elementary waves which are responsible for heat transport, phonons, using inelastic neutrons and x ray scattering. The authors have found that the phonons spectrum extends in a large wavevector and energy range, differently from the case of glasses, but their attenuation is stronger than in a simple crystal. As such, they demonstrate the unicity of thermal transport and phonon dynamics in high entropy alloys, at the frontier between disorder and structural complexity.
L’alliage à haute entropie est représenté avec pour chaque position atomique une equiprobabilité d’être occupé par un élément différent (5 couleurs sur l’atome). Une onde avec une longueur d’onde égale à deux fois la cellule unitaire (carré en tirets) se propage longuement (en noir). Quand la longueur d’onde est égale à la cellule unitaire, l’onde est fortement amortie (bleu).
A high entropy alloy with 5 elements is illustrated: each atomic position has an equiprobability of being occupied by one of the 5 atomic species, illustrated with the color legend of the atom. The unit cell is indicated with a square. Phonons with a wavelength equal to twice the unit cell (black) have a very long mean free path despite the force constant disorder. Only when the wavelength is similar to the unit cell size (blue) the mean free path is reduced to a few unit cells.