ПОДПИСИ: Кэрол Ценг

Newswise — Фазовые сдвиги занимают центральное место в окружающем нас мире. Вероятно, самый известный пример — когда лед тает в воду или вода выкипает в пар, но фазовые переходы также лежат в основе систем отопления и даже цифровой памяти, такой как та, что используется в смартфонах.

Под действием импульсов света или электричества некоторые материалы могут переключаться между двумя различными фазами, представляющими собой двоичные коды 0 и 1 для хранения информации. Понимание того, как материал переходит из одного состояния или фазы в другое, является ключом к подбору материалов с определенными свойствами, которые могут, например, увеличить скорость переключения или работать с меньшими затратами энергии.

Тем не менее, исследователям никогда не удавалось напрямую представить, как эти преобразования разворачиваются в режиме реального времени. Мы часто предполагаем, что материалы идеальны и выглядят одинаково везде, но «часть проблемы заключается в том, что эти процессы часто неоднородны, где разные части материала изменяются по-разному и включают в себя множество различных длин и временных масштабов», — сказал Аарон Линденберг, соавтор и профессор SLAC и Стэнфордского университета.

В новаторском исследовании ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и их коллеги использовали новую технику под названием рентгеновская фотонная корреляционная спектроскопия (XPCS) на линейном когерентном источнике света (LCLS) для зондирования фазовых превращений в сложной структуре, состоящей из слоев титаната свинца и титаната стронция. «Этот материал балансирует между несколькими состояниями, образуя своего рода фрустрированную систему, которая легко реконфигурируется на атомном и наноуровне», — сказал Линденберг. «Один импульс света превращает его в другую кристаллическую структуру, известную как «суперкристалл».

То, что они обнаружили, поставило под сомнение общепринятое мнение: время, в течение которого происходит процесс трансформации, длится в сто тысяч раз дольше, чем считалось ранее. Они также обнаружили, что преобразование протекало неоднородно, и смогли связать движение границ между фазами с гораздо более длительным временным масштабом трансформации.

Исследовательская группа из SLAC, Стэнфордского университета, Университета штата Пенсильвания, Аргоннской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Индийского института науки, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Райса опубликовала свои выводы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Первоначально команда намеревалась исследовать возможности использования XPCS для более детального изучения того, как фазы переходят от одной к другой. Этот метод включает в себя выстреливание одного импульса видимого света, называемого насосом, на материал, чтобы запустить переход, и отслеживание преобразования с последующими рентгеновскими импульсами, называемыми зондом, с различными задержкой во временных интервалах. Узор из рентгеновского света, рассеянного образцом – спекл-узор – состоит из, казалось бы, случайных областей ярких и темных пикселей, которые кодируют информацию о том, как образец преобразуется. Затем исследователи повторяют этот метод «насос-зонд» в других областях вокруг образца. По сравнению с предыдущими исследованиями, XPCS рисует более подробную картину — во времени и пространстве — того, как разворачиваются фазовые переходы.

Используя XPCS, команда смогла изучить фазовые переходы в материале на масштабах длины от уровня отдельных атомов до почти диаметра человеческого волоса, что ранее было невозможно.

Ожидая, что преобразование будет завершено за сотни наносекунд (наносекунда равна миллиардной доле секунды), команда обнаружила, что к этому моменту преобразование уже завершено только наполовину, и весь процесс может занять десятки миллисекунд, почти в сто тысяч раз дольше. «Это аналогично тому, как Google Maps говорит, что вы достигли пункта назначения, хотя на самом деле вы только на полпути, а другая половина займет гораздо больше времени, чем вы думали ранее», — сказал Венкатраман Гопалан, соавтор и профессор Университета штата Пенсильвания.

Также появились новые подробности о том, как фазы и их границы формируются, растут и взаимодействуют друг с другом и связаны с неоднородностью трансформации. Эти разнородные процессы, прокомментировал Гопалан, похожи на непредвиденные пробки, которые замедляют вас, а затем требуют времени, чтобы расчиститься.

«В целом, наши результаты показывают, насколько эти системы материалов сложны и включают коррелированное движение на границах различных фаз в нескольких временных и длинных масштабах», — сказал Линденберг. «Благодаря этому подходу мы смогли визуализировать и выявить детали, на которые мы были слепы при использовании традиционных подходов».

Успешное использование XPCS открывает двери для расследованийионы в аналогичные процессы для других материалов, систем и устройств. «Этот передовой метод предлагает способ исследовать и визуализировать гетерогенные и динамические процессы», — сказал Линденберг. «Мы можем применить полученные знания для решения технологически значимых задач, таких как разработка материалов для более быстрых коммутационных устройств или технологий хранения информации, которые работают с меньшими затратами на электроэнергию».

Научное управление Министерства энергетики США (Отдел фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерии) поддержало это исследование. LCLS является пользовательским объектом Управления по науке Министерства энергетики США.