Atomowe „GPS”: Zmiany materiałów kwantowych uchwycone po raz pierwszy w historii filmów atomowych

Naukowcy z Brookhaven wykorzystali swoją nową technikę ultraszybkiej funkcji rozkładu par (uf-PDF) do zbadania przejścia materiału kwantowego do wcześniej nieodkrytej fazy materiału. Powyższy schemat pokazuje, jak absorpcja fotonu laserowego inicjuje niewielką zmianę, która rozprzestrzenia się w materiale w czasie, zamiast natychmiastowo zmieniać cały materiał. Źródło: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Naukowcy opracowali technikę tworzenia filmów atomowych, które pokazują przejście materiału kwantowego z izolatora do metalu, odkrywając nową fazę materiału i pogłębiając zrozumienie właściwości materiałów, co ma istotne implikacje dla projektowania materiałów.

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory (DOE) Departamentu Energii USA stworzyli pierwsze w historii filmy atomowe pokazujące, jak atomy przegrupowują się lokalnie w materiale kwantowym podczas przejścia z izolatora do metalu. Dzięki tym filmom naukowcy odkryli nową fazę materiału, która rozstrzyga wieloletnią debatę naukową i może ułatwić projektowanie nowych materiałów przejściowych o zastosowaniach komercyjnych.

Te badania, niedawno opublikowane w czasopiśmie Nature Materials, stanowią osiągnięcie metodologiczne; naukowcy wykazali, że technika charakteryzacji materiałów zwana analizą funkcji rozkładu par atomowych (PDF) jest wykonalna — i skuteczna — w ośrodkach rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach (XFEL). PDF jest zazwyczaj stosowany w eksperymentach ze źródłem światła synchrotronowego, podczas których próbki są bombardowane impulsami promieni rentgenowskich. Badając, w jaki sposób wzory dyfrakcji rentgenowskiej zmieniają się po interakcji z materiałami, naukowcy mogą lepiej zrozumieć właściwości tych materiałów. Jednak te eksperymenty są ograniczone przez najkrótsze impulsy promieni rentgenowskich, jakie można wygenerować.

„To jak prędkość migawki aparatu fotograficznego” — wyjaśnił Jack Griffiths, współautor artykułu. „Jeśli robisz zdjęcie czegoś, co zmienia się szybciej niż prędkość migawki aparatu, zdjęcie będzie rozmazane. Podobnie jak krótka prędkość migawki, krótsze impulsy promieni rentgenowskich pomagają nam oglądać szybko zmieniające się materiały bardziej szczegółowo”. Griffiths był badaczem podoktorskim w X-ray Scattering Group w Brookhaven's Condensed Matter Physics & Materials Science (CMPMS) Department, kiedy prowadzono badania, a teraz jest badaczem podoktorskim w National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ośrodku użytkownika DOE Office of Science w Brookhaven Lab.

Źródła światła synchrotronowego doskonale nadają się do charakteryzowania materiałów, które się nie zmieniają lub materiałów, które zmieniają się w ciągu minut lub godzin, takich jak baterie podczas ładowania i rozładowywania. Jednak ta grupa naukowców chciała obserwować zmiany materiału w skali pikosekund.

„Trudno sobie wyobrazić, jak szybka jest naprawdę pikosekunda” — powiedział Griffiths. W ciągu jednej sekundy światło może okrążyć Ziemię siedem i pół razy. Ale w ciągu jednej pikosekundy światło może przebyć tylko jedną trzecią milimetra. „Skale czasowe są niemal nieporównywalne”. Naukowcy zastosowali więc technikę PDF w XFEL o nazwie Linac Coherent Light Source (LCLS), ośrodku użytkownika DOE Office of Science w SLAC National Accelerator Laboratory, który generuje niewiarygodnie jasne i krótkie impulsy promieni rentgenowskich.

„Kiedy robisz coś po raz pierwszy, zawsze pojawia się ten aspekt nieznanego. Może to być stresujące, ale też bardzo ekscytujące” — powiedział Emil Bozin, drugi współautor i fizyk w CMPMS X-ray Scattering Group. „Znaliśmy podstawowe ograniczenia związane z zastosowaniem PDF w XFEL, ale tak naprawdę nie wiedzieliśmy, czego się spodziewać”.

Współautor badania Simon Billinge, który pełni funkcję współpracownika w Brookhaven Lab i na Uniwersytecie Columbia. Źródło: Timothy Lee/Columbia Engineering

Dzięki szybkiej „prędkości migawki” LCLS naukowcy byli w stanie stworzyć filmy wyjaśniające ruch atomów, taki jak ten, który zachodzi, gdy ich próbka materiału kwantowego przechodzi z metalu do izolatora.

„Byłem po prostu zachwycony tym, jak dobrze to działało” — powiedział Simon Billinge, fizyk z X-ray Scattering Group i profesor w School of Engineering and Applied Science na Uniwersytecie Columbia.

„To tak, jakby potrzebować aplikacji nawigacyjnej” — dodał Billinge. „Wiesz, gdzie jesteś teraz i jaki jest twój cel, ale potrzebujesz aplikacji, która poda ci trasę lub kilka opcji trasy. Ultrafast PDF był naszą aplikacją nawigacyjną”.

Zrozumienie tych ścieżek atomowych jest ważnym pierwszym krokiem w projektowaniu materiałów przejściowych o niezliczonych zastosowaniach w informatyce, chemii i magazynowaniu energii. Gdy naukowcy zrozumieją, w jaki sposób materiały przechodzą transformację, mogą manipulować ścieżkami atomowymi i projektować materiały zoptymalizowane pod kątem zastosowań komercyjnych. Materiały pamięci komputerowej, na przykład, przechodzą do innej fazy, gdy plik jest zapisywany. W tym przypadku ważne jest, aby mieć materiały, które nie wymagają dużej energii do przełączania faz. Ale muszą być również odporne na niepożądane przełączanie faz i uszkodzenie danych w długim okresie.