At lave en film om nanokrystal strukturel udvikling

Når du hurtigt vender siderne i en bladbog, serien af ​​statiske billeder ser ud som om de bevæger sig. Forskere har for nylig anvendt et lignende princip for at fange, hvordan et materiales struktur ændrer sig over ekstremt korte tidsskalaer - kun billioner af sekunder eller hurtigere. For at optage denne bevægelse i atomskala, de havde brug for et særligt instrument, der var placeret i det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory.

"Dette ultrahurtige elektron -diffraktionsinstrument, som har elektronstråler med en energi på en million elektronvolt, blev designet og lavet i huset, "sagde Jing Tao, en fysiker i Brookhaven Labs afdeling for kondenseret materie i fysik og materialevidenskab (CMPMS) og tilsvarende forfatter på Anvendt fysik bogstaver papir, der rapporterer arbejdet. "Vi samarbejdede med Labs Accelerator Test Facility for at sikre, at temperaturen, fugtighed, og andre miljøforhold forblev stabile, og at instrumentet var korrekt justeret. "

Dagens elektronmikroskoper kan løse enkeltatomer, men typisk kun ved eksponeringstider i størrelsesordenen sekunder. Imidlertid, atomer bevæger sig meget hurtigere end det.

"Vi ser på strukturel dynamik, der sker inden for hundredvis af femtosekunder til et par picosekunder, "sagde første forfatter Junjie Li, en fysiker i CMPMS -afdelingen. "Til reference, et femtosekund svarer til en kvadrilliondel af et sekund. "

I dette studie, forskerne undersøgte strukturen af ​​kobbersulfid -nanokrystaller. Over en bestemt temperatur, kobbersulfid undergår en overgang, hvor dets krystalstruktur ændres fra en lavsymmetri til en højsymmetrifase. Under denne faseovergang, dets kobberioner bliver meget mobile, gør det til et lovende materiale til næste generations elektrokemiske og termoelektriske enheder, såsom batterier og elektriske kontakter.

"Alle materialegenskaber har en strukturel oprindelse, "sagde Tao." Identificering og forståelse af mekanismen, der driver et materiales struktur, er nøglen til at forbedre dets ydeevne til virkelige applikationer. "

Materialers optimale egenskaber dukker ofte op ved faseovergange, der involverer samtidige ændringer i krystallsymmetri, elektronisk struktur, og magnetisk modtagelighed, gør det svært at bestemme den primære kraft, der driver overgangen. Tidligere eksperimenter udført af andre grupper viste, at den strukturelle faseovergang i kobbersulfid var forårsaget af en diffusion af kobberioner. Derefter, Brookhaven-teamet opdagede, at konstant stigende eller faldende antal elektroner, der pumpes ind i materialet over tid, fik sin krystalstruktur til at svinge mellem lav- og højsymmetri-faserne ved stuetemperatur.

"Vi blev overraskede over at opdage, at en minimal ændring i elektrondosishastigheden medfører en enorm kollektiv bevægelse af kobberionerne, fordi det viste, at strukturfaseovergangen på en eller anden måde er relateret til elektronisk manipulation, "sagde Tao." Vi vidste, at der måtte være et iboende forhold, men havde intet bevis. Femtosekundstidsopløsningen fra vores instrument gjorde det muligt for os at se, hvordan kobberionernes bevægelse er korreleret med ændringer i elektronisk struktur. "

For at starte den strukturelle overgang, forskerne "pumpede" materialet med laserpulser, bringe den i sin ophidsede energitilstand. Efter velkontrollerede tidsforsinkelser, de sendte derefter elektronpulser gennem prøven og registrerede den måde, hvorpå elektronerne blev spredt. De resulterende elektrondiffraktionsmønstre afslørede materialets krystalstruktur på de nøjagtige øjeblikke, hvor elektronstrålen interagerede med det. Ved at kombinere disse strukturelle "snapshots" taget på forskellige tidsforsinkelser mellem laser- og elektronpulserne, de producerede en film, der fanger den måde, som strukturen udvikler sig fra begyndelsen til slutningen af ​​faseovergangen.

Ved analyse af elektrondiffraktionssignaturer, Li var chokeret over at opdage, at den strukturelle faseovergang involverede to separate processer, der fandt sted på meget forskellige tidsskalaer.

"Jeg fandt ud af, at krystalsymmetrien, eller hvordan ionerne indretter sig selv, bryder i to picosekunder, og mængden af ​​krystalgitteret udvides fra 10 til 20 picosekunder, "sagde Li." Indtil nu, forskere havde troet, at symmetrien og volumen ændrede sig på samme tid. På grund af utilstrækkelig tidsopløsning, de var kun i stand til at tage et øjebliksbillede i begyndelsen af ​​overgangen og et andet i slutningen og fangede dermed ikke, hvad der skete imellem. "

Det viser sig, at tidsskalaen for krystallsymmetriændringen falder sammen med en anden proces:Elektronisk bærerrelaksation, eller elektronernes bevægelse fra en ophidset energitilstand (induceret af laserekscitationen) til grundtilstanden. I betragtning af denne tilfældighed, Brookhaven -teamet mener, at interaktioner mellem elektroner og atomer, der vibrerer i gitteret (fononer), kunne ligge bag krystal -symmetriovergangen.

"Det faktum, at begge processer sker ved to picosekunder, tyder stærkt på, at elektron-fonon-kobling styrer overgangen, "sagde Li." Forskere mener, at elektron-fononkobling spiller en meget vigtig rolle i mange stærkt korrelerede og kvantematerialer med nye egenskaber-f.eks. superledere, som kan transportere elektricitet uden modstand, og multiferroics, som udviser spontane magnetiske og elektriske polarisationer. Men denne mekanisme er stadig ikke helt forstået, selv efter årtiers forskning. "

Nu hvor forskerne har det rigtige udstyr til at fange ultrahurtig strukturel dynamik, de håber at finde oprindelsen til faseovergange i andre materialer.

"Det videnskabelige samfund tog for givet, at krystalsymmetribrud og gitterudvidelse sker sammen, "sagde Tao." Evnen til at adskille disse processer er et gennembrud, der vil hjælpe os med at forstå struktur-ejendomsforhold i en lang række materialer. "