Ultrahurtig billeddannelse afslører eksistensen af ​​polaroner

Mange mennesker forestiller sig elektrisk ledningsevne som strømmen af ​​ladede partikler (hovedsageligt elektroner) uden egentlig at tænke på atomstrukturen af ​​det materiale, som disse ladninger bevæger sig igennem. Men forskere, der studerer "stærkt korrelerede elektron"-materialer, såsom højtemperatur-superledere og dem med stærke reaktioner på magnetisme, ved, at billedet er alt for forsimplet. De ved, at atomerne spiller en afgørende rolle for at bestemme et materiales egenskaber.

For eksempel, elektrisk modstand er en manifestation af elektroner, der spredes fra atomerne. Mindre indlysende er konceptet om, at elektroner og atomer kan bevæge sig sammen for at stoppe strømmen af ​​ladning - eller, i den anden yderlighed, få elektroner til at flyde frit uden modstand.

Nu, et hold ledet af fysiker Yimei Zhu ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har frembragt endegyldige beviser for, at elektronernes bevægelse har en direkte effekt på atomarrangementer, driver deformationer i et materiales 3D krystallinske gitter på måder, der drastisk kan ændre strømstrømmen. At finde beviser for disse stærke elektron-gitter-interaktioner, kendt som polaroner, understreger behovet for at kvantificere deres indvirkning på komplekse fænomener såsom superledningsevne (nogle materialers evne til at føre strøm uden energitab) og andre lovende egenskaber.

Som beskrevet i et papir netop offentliggjort i Nature partner journal npj Kvantematerialer , holdet udviklede et "ultrahurtig elektrondiffraktion"-system - en ny laserdrevet billedbehandlingsteknik og den første af sin slags i verden - til at fange de subtile atomskala gitterforvrængninger. Metoden har en udbredt potentiel anvendelse til at studere andre dynamiske processer.

"Teknikken svarer til at bruge stroboskopisk fotografering til at afsløre en bolds bane, " sagde Zhu. "Ved at bruge forskellige tidsforsinkelser mellem at kaste bolden og tage billedet, du kan fange den dynamiske handling, " han sagde.

Men for at afbilde dynamik på atomær skala, du har brug for et meget hurtigere blitz og en måde at sætte objekter i subatomisk skala i bevægelse.

Maskinen udviklet af Brookhaven-teamet bruger en laserpuls til at give elektroner i et prøvemateriale et "spark" af energi. På samme tid, en anden laser splittet fra den første genererer meget hurtige udbrud af højenergi (2,8 mega-elektron-volt) elektroner til at sondere prøven. Elektronerne, der udgør disse 130 femtosekunders "blink" - hver varer kun 0, 000000000000013 sekunder - spreder sig fra prøven og skaber diffraktionsmønstre, der afslører atomernes positioner. Ved at variere tidsforsinkelsen mellem pulsen og sonden, videnskabsmændene kan fange de subtile skift i atomarrangementer, når gitteret reagerer på de "sparkede" elektroner.

"Dette ligner røntgendiffraktion, men ved at bruge elektroner får vi et meget større signal, og probeelektronernes høje energi giver os bedre adgang til at måle atomernes præcise bevægelse, " sagde Zhu. Plus, hans mikroskop kan bygges til en brøkdel af, hvad det ville koste at bygge en ultrahurtig røntgenlyskilde. "Dette er en 'hjemmebygget' maskine."

Nøglefund

Forskerne brugte denne teknik til at studere elektron-gitter-interaktionerne i et manganoxid, et materiale af langvarig interesse på grund af, hvor dramatisk dets ledningsevne kan blive påvirket af tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt. De opdagede en afslørende signatur af elektroner, der interagerer med og ændrer formen på atomgitteret, nemlig, en to-trins "afslapning" udvist af de sparkede elektroner og deres omgivende atomer.

I en normal et-trins afslapning, elektroner sparket op af et energiudbrud fra et atomområde til et andet tilpasser hurtigt deres "form" til det nye miljø.

"Men i stærkt korrelerede materialer, elektronerne bremses af interaktioner med andre elektroner og interaktioner med gitteret, " sagde Weiguo Yin, en anden Brookhaven-fysiker, der arbejder på undersøgelsen. "Det er som en trafikprop med masser af biler, der kører langsommere."

Faktisk reagerer de negativt ladede elektroner og positivt ladede atomkerner på hinanden på en måde, der får hver af dem til at forsøge at tilpasse sig "formen" af den anden. Så en langstrakt elektronsky, når man går ind i et symmetrisk atomrum, begynder at antage en mere sfærisk form, mens på samme tid, atomerne, der udgør gitteret, skifte positioner for at forsøge at rumme den aflange elektronsky. I andet trin, dette imellem, skub mig, pull-you-arrangementet slapper gradvist af til, hvad der ville forventes i en et-trins afslapning.

"Denne to-trins adfærd, som vi kan se med vores ultrahurtige elektrondiffraktion, er beviset på, at gittervibrationerne interagerer med elektronerne rettidigt. De er beviset på, at polaroner eksisterer, " sagde Yin.

Fundet giver indsigt i, hvordan gitterresponsen hjælper med at generere det enorme fald i elektrisk modstand, som manganitter oplever i et magnetfelt - en effekt kendt som kolossal magnetoresistens.

"Elektronskyens former er knyttet til elektronernes magnetiske egenskaber, " Yin forklarede. "Når de magnetiske momenter af elektronerne er justeret i et magnetfelt, elektronskyformen og atomarrangementet bliver mere symmetriske og homogene. Uden behov for at spille push-mig, pull-dig spil, elektriske ladninger kan flyde lettere."

Dette arbejde viser, at en ultrahurtig laser hurtigt kan modificere elektronisk, magnetiske, og gitterdynamik i stærkt korrelerede elektronmaterialer - en tilgang, der kan resultere i lovende nye tekniske applikationer, såsom ultrahurtig hukommelse eller andre højhastigheds elektroniske enheder.

"Vores metode kan bruges til bedre at forstå disse dynamiske interaktioner, og foreslår, at det også vil være nyttigt til at studere andre dynamiske processer for at opdage skjulte tilstande og anden eksotisk materiel adfærd, " sagde Zhu.