Примечание редактора: следующий пресс-релиз выпущен совместно Брукхейвенской национальной лабораторией и Колумбийским университетом.

Newswise — УПТОН, Нью-Йорк — Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) создали первые в мире атомные фильмы, показывающие, как атомы локально перестраиваются внутри квантового материала при его переходе от изолятора к металлу. С помощью этих фильмов исследователи открыли новую фазу материала, которая положила конец многолетним научным дебатам и может облегчить разработку новых переходных материалов с коммерческим применением.

Это исследование, недавно опубликованное в Природные материалы, отмечает методологическое достижение; Исследователи продемонстрировали, что метод определения характеристик материалов, называемый анализом функции распределения пар атомов (PDF), осуществим — и успешен — на установках рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL). PDF обычно используется для экспериментов с источниками синхротронного света, во время которых образцы бомбардируются импульсами рентгеновских лучей. Изучая, как изменяются картины дифракции рентгеновских лучей после взаимодействия с материалами, ученые смогут лучше понять свойства этих материалов. Но эти эксперименты ограничены самыми короткими рентгеновскими импульсами, которые только можно генерировать.

«Это похоже на выдержку фотоаппарата», — объяснил Джек Гриффитс, соавтор статьи. «Если вы фотографируете что-то, что меняется быстрее, чем выдержка вашей камеры, ваша фотография будет размытой. Подобно короткой выдержке, более короткие рентгеновские импульсы помогают нам более детально рассмотреть быстро меняющиеся материалы». Гриффитс был постдокторантом в группе по рассеянию рентгеновских лучей на кафедре физики конденсированного состояния и материаловедения (CMPMS) Брукхейвена, когда исследование проводилось, а сейчас является постдокторантом в Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II), Министерстве энергетики. Пользовательский центр Управления науки в Брукхейвенской лаборатории.

Источники синхротронного света отлично подходят для определения характеристик материалов, которые не изменяются, или материалов, которые изменяются в течение минут или часов, например, аккумуляторы при зарядке и разрядке. Но эта группа ученых хотела наблюдать материальные изменения в пикосекундных масштабах времени.

«Трудно представить, насколько быстрой на самом деле является пикосекунда», — сказал Гриффитс. За одну секунду свет может обогнуть Землю семь с половиной раз. Но за одну пикосекунду свет может пройти лишь одну треть миллиметра. «Временные масштабы практически несопоставимы».

Итак, ученые применили технологию PDF в XFEL под названием Linac Coherent Light Source (LCLS), пользовательском центре Научного управления Министерства энергетики США в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, который генерирует невероятно яркие и короткие импульсы рентгеновских лучей.

«Когда делаешь что-то впервые, всегда есть аспект неизведанного. Это может быть нервно, но в то же время очень интересно», — сказал Эмиль Бозин, другой соавтор и физик из группы по рассеянию рентгеновских лучей CMPMS. «Мы знали основные ограничения перевода PDF в XFEL, но не знали, чего ожидать».

Благодаря высокой «выдержке» LCLS ученые смогли создать фильмы, объясняющие движение атомов, подобное тому, которое происходит, когда их образец квантового материала переходит между металлом и изолятором.

«Я был просто поражен тем, насколько хорошо это работало», — сказал Саймон Биллинг, физик из группы по рассеянию рентгеновских лучей и профессор Школы инженерных и прикладных наук Колумбийского университета.

«Это похоже на потребность в навигационном приложении», — добавил Биллиндж. «Вы знаете, где вы сейчас находитесь и какой пункт назначения, но вам нужно, чтобы приложение проложило вам маршрут или несколько вариантов маршрута. Сверхбыстрый PDF был нашим навигационным приложением».

Понимание этих атомных маршрутов является важным первым шагом для разработки переходных материалов, которые найдут множество применений в вычислительной технике, химии и хранении энергии. Как только ученые поймут, как происходит переход материалов, они смогут манипулировать атомными маршрутами и разрабатывать материалы, оптимизированные для коммерческого применения. Например, материалы компьютерной памяти переходят в другую фазу при сохранении файла. В этом случае важно иметь материалы, которым не требуется много энергии для переключения фаз. Но они также должны быть устойчивы к нежелательному переключению фаз и повреждению данных в течение длительных периодов времени.

«Наличие работы PDF с XFEL стало результатом огромных организационных усилий», — сказал Ян Робинсон, руководитель группы по рассеянию рентгеновских лучей в Брукхейвенской лаборатории и профессор Лондонского центра нанотехнологий Университетского колледжа Лондона (UCL). Например, Робинсон отметил: «Мы тесно сотрудничали с Себастьяном Буте и Винсентом Эспозито из LCLS, чтобы определить, что каналы макромолекулярной фемтосекундной кристаллографии (MFX) являются наиболее многообещающими для метода PDF».

В команду также входили физики из Колумбийского университета, Университета Висконсина в Мэдисоне, Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики и Совета по науке и технологиям Соединенного Королевства.

Благодаря успешным экспериментам, подтверждающим принцип работы, исследователи стремились изучить еще один фазовый переход квантового материала, который ученые изучают как «модель» для других полезных материалов. А возбуждение материала лазерным импульсом привело к захватывающему открытию.

Открытие новой материальной фазы

Подобно переходу этого квантового материала из изолятора в металл, некоторые материальные переходы вызываются изменениями температуры, давления или магнитного поля. Но поскольку эти изменения окружающей среды могут происходить естественным или непреднамеренным образом, для некоторых приложений они могут быть ненадежными. Когда дело доходит до вычислений, важно, чтобы материалы, отвечающие за хранение файлов, не переключали фазы только потому, что в комнате стало слишком жарко или холодно.

Итак, исследователи изучили «неравновесные» переходы — изменение состояния материала, вызванное надежным и контролируемым триггером. В данном случае они воздействовали на квантовый материал лазерным импульсом.

Хотя лазерный свет возмутил лишь несколько атомов, соседи этих атомов отреагировали на это изменение. А затем соседи соседей ощутили воздействие, пока локальное изменение не распространилось по всему квантовому материалу.

«Это было похоже на то, как землетрясение на дне океана может разрушить немного воды и создать волну, которая в конечном итоге достигнет края океана», — добавил Биллинге.

Используя сверхбыстрый PDF, исследователи внимательно наблюдали за движением атомов, когда образец подвергался бомбардировке лазерными импульсами. И впервые они непосредственно наблюдали переход квантового материала в новое состояние, которое еще не было идентифицировано.

«Это было похоже на открытие новой, скрытой фазы материи, недоступной во время равновесных переходов», — сказал Бозин.

Открытие ученых способствовало многолетней дискуссии о том, что на самом деле происходит, когда определенные квантовые материалы возбуждаются лазером; это не просто нагрев материала, а скорее создание переходного «метастабильного» промежуточного состояния.

Интересно, что материал был беспорядочным в течение десятков пикосекунд, «хотя он начинался и заканчивался в упорядоченном состоянии», — сказал Гриффитс.

Робинсон добавил: «Открытие переходного состояния представляет собой новую фазу существования материала, которая существует лишь короткое время. Это жизненно важный признак того, что неоткрытый, полностью стабильный материал может находиться неподалеку».

Ученые стремятся раскрыть эти «скрытые» материалы. Но они также хотят раскрыть весь потенциал новой сверхбыстрой технологии PDF.

«В квантовых материалах происходит несколько форм сложных фазовых переключений, и мы планируем исследовать их с помощью сверхбыстрого PDF», — сказал Бозин. «Понимание этих фазовых переходов может облегчить разработку коммерческих материалов. Но научное сообщество также может использовать эту технику, чтобы ответить на фундаментальные вопросы физики, исследовать сверхбыстрые явления и создавать более совершенные сверхпроводники».

Он добавил: «Хотя мы ответили на вопросы о путях материального перехода, кажется, что мы открыли дверь, а не закрыли ее».

Как и этот проект, будущие проекты не будут успешными без междисциплинарного сотрудничества.

«Мы не просто использовали оборудование LCLS в SLAC», — объяснил Биллиндж. «Люди также сыграли важную роль в успехе сверхбыстрого PDF».

Команда из Брукхейвена готова оптимизировать сверхбыструю технологию PDF, особенно после обновления LCLS до LCLS-II-HE, что позволит получать молекулярные фильмы еще с более высоким разрешением.

«Существует международный интерес к тому, чтобы сделать этот метод обычным и успешным», — сказал Бозин. «И мы с нетерпением ждем возможности стать частью этого».

Подготовку образцов осуществляли в Центре функциональных наноматериалов, пользовательском отделении Управления науки Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории. Дополнительные измерения были проведены в Advanced Photon Source, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне.

Эта работа в основном поддерживалась Управлением науки Министерства энергетики США.

Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите science.energy.gov .

Следите за @BrookhavenLab в социальных сетях. Найдите нас на Инстаграм , LinkedIn , Х и Фейсбук .