Atomare 'GPS': Quantenmaterialübergänge in erstmals aufgenommenen atomaren Filmen festgehalten

Wissenschaftler aus Brookhaven nutzten ihre neue Technik der ultraschnellen Paarverteilungsfunktion (uf-PDF), um den Übergang eines Quantenmaterials in eine bisher unentdeckte Materialphase zu untersuchen. Das obige Schema zeigt, wie die Absorption eines Laserphotons eine kleine Veränderung auslöst, die sich im Laufe der Zeit durch das Material ausbreitet, anstatt das gesamte Material augenblicklich zu verändern. Bildnachweis: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Wissenschaftler entwickelten eine Technik zur Erstellung von Atomfilmen, die den Übergang eines Quantenmaterials von einem Isolator zu einem Metall zeigen. Sie entdeckten eine neue Materialphase und erweiterten das Verständnis der Materialeigenschaften mit erheblichen Auswirkungen auf das Materialdesign.

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben die allerersten Atomfilme erstellt, die zeigen, wie sich Atome lokal innerhalb eines Quantenmaterials neu anordnen, wenn es von einem Isolator zu einem Metall übergeht. Mithilfe dieser Filme entdeckten die Forscher eine neue Materialphase, die eine jahrelange wissenschaftliche Debatte beendet und das Design neuer Übergangsmaterialien mit kommerziellen Anwendungen erleichtern könnte.

Diese kürzlich in Nature Materials veröffentlichte Forschung stellt eine methodische Errungenschaft dar; Die Forscher zeigten, dass eine Materialcharakterisierungstechnik namens Atompaarverteilungsfunktionsanalyse (PDF) in Röntgen-Freie-Elektronen-Laseranlagen (XFEL) durchführbar – und erfolgreich – ist. PDF wird typischerweise für Experimente mit Synchrotronlichtquellen eingesetzt, bei denen Proben mit Röntgenpulsen bombardiert werden. Indem sie untersuchen, wie sich Röntgenbeugungsmuster nach der Interaktion mit Materialien verändern, können Wissenschaftler die Eigenschaften dieser Materialien besser verstehen. Diese Experimente sind jedoch durch die kürzesten Röntgenpulse, die erzeugt werden können, eingeschränkt.

„Es ist wie die Verschlusszeit einer Kamera“, erklärt Jack Griffiths, Co-Leitautor des Artikels. „Wenn Sie ein Foto von etwas machen, das sich schneller verändert als die Verschlusszeit Ihrer Kamera, wird Ihr Foto unscharf. Wie eine kurze Verschlusszeit helfen uns kürzere Röntgenpulse, uns schnell verändernde Materialien detaillierter anzusehen.“ Griffiths war zum Zeitpunkt der Forschungsarbeit Postdoktorand in der Röntgenstreuungsgruppe der Abteilung für Festkörperphysik und Materialwissenschaft (CMPMS) von Brookhaven und ist jetzt Postdoktorand an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven Lab.

Synchrotronlichtquellen eignen sich hervorragend zur Charakterisierung von Materialien, die sich nicht verändern oder die sich innerhalb von Minuten bis Stunden verändern, wie z. B. Batterien beim Laden und Entladen. Diese Gruppe von Wissenschaftlern wollte jedoch Materialveränderungen im Pikosekundenbereich beobachten.

„Es ist schwer vorstellbar, wie schnell eine Pikosekunde wirklich ist“, sagte Griffiths. In einer Sekunde kann Licht siebeneinhalb Mal um die Erde reisen. In einer Pikosekunde kann Licht jedoch nur einen Drittelmillimeter zurücklegen. „Die Zeitskalen sind nahezu unvergleichlich.“

Also brachten die Wissenschaftler die PDF-Technik zu einem XFEL namens Linac Coherent Light Source (LCLS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE, die unglaublich helle und kurze Röntgenimpulse erzeugt.

„Wenn man etwas zum ersten Mal macht, gibt es immer diesen Aspekt des Unbekannten. Es kann nervenaufreibend, aber auch sehr aufregend sein“, sagte Emil Bozin, der andere Co-Leitautor und Physiker in der CMPMS X-ray Scattering Group. „Wir kannten die wesentlichen Einschränkungen bei der Einführung von PDF in einen XFEL, aber wir wussten nicht wirklich, was uns erwarten würde.“

Mitautor der Studie, Simon Billinge, der eine gemeinsame Anstellung am Brookhaven Lab und der Columbia University hat. Bildnachweis: Timothy Lee/Columbia Engineering

Mit der schnellen „Verschlussgeschwindigkeit“ von LCLS konnten die Wissenschaftler Filme erstellen, die atomare Bewegungen veranschaulichen, wie sie auftreten, wenn ihre Quantenmaterialprobe zwischen einem Metall und einem Isolator wechselt.

„Ich war einfach überwältigt, wie gut es funktionierte“, sagte Simon Billinge, Physiker in der X-ray Scattering Group und Professor an der School of Engineering and Applied Science der Columbia University.

„Es ist so, als bräuchte man eine Navigations-App“, fügte Billinge hinzu. „Man weiß, wo man gerade ist und was das Ziel ist, aber die App muss einem eine Route oder ein paar Routenoptionen bieten. Ultrafast PDF war unsere Navigations-App.“

Das Verständnis dieser atomaren Routen ist ein wichtiger erster Schritt für die Entwicklung von Übergangsmaterialien mit unzähligen Anwendungsmöglichkeiten in der Computertechnik, Chemie und Energiespeicherung. Sobald Wissenschaftler verstehen, wie die Materialien übergehen, können sie die atomaren Routen manipulieren und Materialien entwickeln, die für kommerzielle Anwendungen optimiert sind. Computerspeichermaterialien wechseln beispielsweise in eine andere Phase, wenn eine Datei gespeichert wird. In diesem Fall ist es wichtig, Materialien zu haben, die nicht viel Energie zum Phasenwechsel benötigen. Sie müssen aber auch über lange Zeit resistent gegen unerwünschte Phasenwechsel und Datenbeschädigung sein.