Atomisk vej fra isolator til metal mere rodet end troet

Forskere har kigget bag forhænget om den ultrahurtige faseovergang af vanadiumdioxid og fundet dets atomkunst er meget mere kompliceret, end de troede. Det er et materiale, der har fascineret forskere i årtier for dets evne til at skifte fra at være en elektrisk isolator til en leder.

Studiet, som vises 2. november i journalen Videnskab , er et samarbejde mellem forskere ved Duke University, SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford, Barcelona Institute of Science and Technology, Oak Ridge National Laboratory, og Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Vanadiumdioxid er blevet intensivt undersøgt af forskere i mere end fem årtier på grund af dets usædvanlige evne til at skifte fra isolator til leder ved den bekvemt opnåelige temperatur på 152 grader Fahrenheit. Selvom andre materialer også er i stand til denne overgang, forekommer mest langt under stuetemperatur, hvilket gør vanadiumdioxid til en bedre løsning til praktiske anvendelser.

For nylig, materialeforskere har undersøgt, hvordan denne samme faseovergang finder sted, når materialets atomstruktur er spændt på en ekstremt kort, ultrahurtig laserpuls. Det, der gør fænomenet så udfordrende at studere, er den bemærkelsesværdige hastighed, det sker med - cirka 100 femtosekunder. Det er en tiendedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund.

De ultralette røntgenpulser ved SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), imidlertid, er endnu hurtigere.

Ved at udløse vanadiumdioxid's elektriske faseovergang med en femtosekundlaser og derefter pinge dens atomer med røntgenpulser, der kun er titalls femtosekunder lange, forskere var i stand til at se overgangen udfolde sig i detaljer for første gang. De fandt ud af, at snarere end at gå direkte fra en atomstruktur til en anden i en direkte, samarbejdende måde, vanadiumatomerne ankom til deres destinationer via mere uforudsigelige ruter og uafhængigt af hinanden.

"Det blev foreslået, at materialet ville gå fra den ene krystallinske struktur til den anden ved at følge en deterministisk, veldefineret blanding, "sagde Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke og en af ​​lederne af undersøgelsen. "I stedet opdagede vi, at selv inden for en enkelt overgang, hvert atom gør sine egne ting uafhængigt af de andre. "

"Den lidelse, vi fandt, er meget stærk, hvilket betyder, at vi er nødt til at gentænke, hvordan vi studerer alle disse materialer, som vi troede opførte sig ensartet, sagde Simon Wall, en lektor ved Institute of Photonic Sciences i Barcelona og en af ​​lederne af undersøgelsen.

"De bevæger sig ikke gnidningsløst ind i deres nye positioner som bandmedlemmer, der marcherer ned ad en mark; de vakler rundt som partier, der forlader en bar ved lukketid, "Sagde Wall." Hvis vores endelige mål er at kontrollere disse materialers adfærd, så vi kan skifte dem frem og tilbage fra en fase til en anden, det er meget sværere at styre det fulde kor end det marcherende band. "

For at opklare betydningen af ​​de eksperimentelle observationer, Delaires gruppe hos Duke ledede også supercomputersimuleringer af atomdynamik i materialet. Simuleringerne kørte på supercomputere på National Energy Research Scientific Computing center og Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Det var forbløffende, da min elev Shan Yang viste mig resultaterne af hendes kvantesimuleringer af atombevægelser, "fortsatte Delaire." Det matchede næsten perfekt de eksperimentelle 'film' med optagede røntgenintensiteter, selv uden behov for justerbare parametre. "

Tidligere undersøgelser havde ikke adgang til den rumlige og tidsmæssige opløsning, der tilbydes af LCLS, og kunne kun måle gennemsnit af materialets atomadfærd. På grund af disse begrænsninger, de kunne ikke se betydningen af ​​tilfældige afvigelser fra de gennemsnitlige bevægelser af vanadiumatomer.

Med LCLS -sensitiviteten dog forskere kunne få et meget klarere billede af, hvad der foregik.

"Det er ligesom astronomer, der studerer nattehimlen, "sagde Delaire." Tidligere undersøgelser kunne kun se de lyseste stjerner synlige med det blotte øje. Men med de ultralette og ultrahurtige røntgenpulser, vi var i stand til at se de svage og diffuse signaler fra Mælkevejen galaksen mellem dem. "

Dette studie, og andre kan lide det, er nøglen til at forstå opførsel af foto-begejstrede materialer. For eksempel, hvis den bruges korrekt, atomreaktionen af ​​vanadiumdioxid, der blev afsløret i denne undersøgelse, kunne danne grundlag for ultrahurtige transistorer til computere, der kombinerer fotoner og elektroner. Og forskere bruger også dette generelle koncept i jagten på drømmen om stuetemperatur-superledere.

"Den nye viden, vi fik i processen med den foto-inducerede isolator-til-metal-overgang i vanadiumdioxid, bør være direkte relevant for at revurdere vores forståelse af andre materialer, "sagde Delaire." Vi er lige begyndt at udforske denne nye verden med at kunne kontrollere materialers adfærd ved blot at skinne lys over dem, og kombinerer topmoderne røntgenfaciliteter med supercomputere til at følge med i, hvad der sker. Og vi finder ud af, at den involverede atomdynamik er endnu mere kompliceret, end vi tidligere havde troet. "