I materialer ramt med lys, individuelle atomer og vibrationer går uordentlige veje

At ramme et materiale med laserlys sender vibrationer, der risler gennem dets gitterværk af atomer, og kan samtidig skubbe gitteret til en ny konfiguration med potentielt nyttige egenskaber - gøre en isolator til et metal, for eksempel.

Indtil nu, videnskabsfolk antog, at alt dette skete i en smidig, koordineret måde. Men to nye undersøgelser viser, at det ikke gør det:Når du ser ud over den gennemsnitlige reaktion af atomer og vibrationer for at se, hvad de gør individuelt, svaret, de fandt, er uordentligt.

Atomer 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.

Og laserudløste vibrationer dør ikke bare ud; de udløser mindre vibrationer, der udløser endnu mindre, spreder deres energi i form af varme, som en flod, der forgrener sig til et komplekst netværk af vandløb og nitter.

Denne uforudsigelige opførsel i en lille skala, målt for første gang med en ny røntgenlaserteknik på Institut for Energis SLAC National Accelerator Laboratory, skal tages i betragtning fra nu af, når man studerer og designer nye materialer, sagde forskerne - især kvantematerialer med potentielle anvendelser i sensorer, smarte vinduer, energilagring og konvertering og supereffektive elektriske ledere.

To separate internationale hold, herunder forskere ved SLAC og Stanford University, der udviklede teknikken, rapporterede resultaterne af deres forsøg 20. september i Fysisk gennemgangsbreve og i dag i Videnskab .

"Den lidelse, vi fandt, er meget stærk, hvilket betyder, at vi er nødt til at genoverveje, 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 ​​tre ledere af undersøgelsen rapporteret i Videnskab . "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. "

At løfte disen

Den klassiske måde at bestemme atomstrukturen på et molekyle, hvad enten det er fra et menneskeskabt materiale eller en menneskelig celle, er at ramme den med røntgenstråler, som hopper af og spredes i en detektor. Dette skaber et mønster af lyse prikker, kaldet Bragg -toppe, der kan bruges til at rekonstruere, hvordan dets atomer er arrangeret.

SLACs Linac kohærente lyskilde (LCLS), med sine superlysende og ultrahurtige røntgenlaserpulser, har givet forskere mulighed for at bestemme atomstrukturer i stadig flere detaljer. De kan endda tage hurtigbilleder af kemiske bindinger, der bryder, for eksempel, og snor dem sammen for at lave "molekylære film".

For omkring et dusin år siden, David Reis, professor ved SLAC og Stanford og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), spekulerede på, om en svag dis mellem lyspunkterne i detektoren - 10, 000 gange svagere end disse lyspunkter, og betragtes kun som baggrundsstøj - kan også indeholde vigtig information om hurtige ændringer i materialer fremkaldt af laserpulser.

Han og SIMES -videnskabsmanden Mariano Trigo udviklede en teknik kaldet "ultrahurtig diffus spredning", der udtrækker information fra disen for at få et mere komplet billede af, hvad der foregår og hvornår.

De to nye undersøgelser repræsenterer første gang, teknikken er blevet brugt til at observere detaljer om, hvordan energi spredes i materialer, og hvordan lys udløser en overgang fra en fase, eller stat, af et materiale til et andet, sagde Reis, der sammen med Trigo er medforfatter til begge artikler. Disse svar er interessante både for at forstå materialernes grundlæggende fysik og for at udvikle applikationer, der bruger lys til at tænde og slukke materialers egenskaber eller omdanne varme til elektricitet, for eksempel.

"Det er ligesom astronomer, der studerer nattehimlen, "sagde Olivier Delaire, en lektor ved Duke University, der hjalp med at lede et af studierne. "Tidligere undersøgelser kunne kun se de lyseste stjerner synlige for det blotte øje. Men med de ultrabrune og ultrahurtige røntgenpulser, vi var i stand til at se de svage og diffuse signaler fra Mælkevejen galaksen mellem dem. "

Små klokker og klaverstrenge

I undersøgelsen offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , Reis og Trigo ledede et team, der undersøgte vibrationer kaldet fononer, der rasler med atomgitteret og spreder varme gennem et materiale.

Forskerne vidste at gå i, at fononer udløst af laserpulser henfalder, frigive deres energi i hele atomgitteret. Men hvor går al den energi hen? Teoretikere foreslog, at hver fonon skal udløse anden, mindre fononer, som vibrerer ved højere frekvenser og er sværere at opdage og måle, men disse var aldrig set i et forsøg.

For at studere denne proces på LCLS, holdet ramte en tynd film af vismut med en puls af optisk laserlys for at udløse fononer, efterfulgt af en røntgenlaserpuls omkring 50 kvadrilliondeler af et sekund senere for at registrere, hvordan fononerne udviklede sig. Eksperimenterne blev ledet af kandidatstuderende Tom Henighan og postdoktorforsker Samuel Teitelbaum fra Stanford PULSE Institute.

For første gang, Trigo sagde, de var i stand til at observere og måle, hvordan de oprindelige fononer fordelte deres energi over et bredere område ved at udløse mindre vibrationer. Hver af de små vibrationer stammer fra et særskilt antal atomer, og plasterets størrelse - om den indeholdt 7 atomer, eller 9, eller 20 - bestemt vibrationens frekvens. Det var meget ligesom hvordan en stor klokke ringer, der får mindre klokker til at klirre i nærheden, eller hvordan plukning af en klaverstreng sætter andre strenge, der nynner.

"Det er noget, vi har ventet i årevis på at kunne gøre, så vi var spændte, "Reis sagde." Det er en måling af noget helt fundamentalt for moderne solid-state fysik, for alt fra hvordan varme strømmer i materialer til jævn, i princippet, hvordan lysinduceret superledning fremkommer, og det kunne ikke have været gjort uden en røntgenfri elektron-laser som LCLS. "

En uordentlig march

Papiret i Science beskriver LCLS -eksperimenter med vanadiumdioxid, et velstuderet materiale, der kan vende sig fra at være en isolator til en elektrisk leder på bare 100 kvadrilliondeler af et sekund.

Forskere vidste allerede, hvordan man udløser denne switch med meget kort, ultrahurtige pulser af laserlys. Men indtil nu kunne de kun observere atomernes gennemsnitlige respons, som syntes at blande sig i deres nye positioner på en ordnet måde, sagde Delaire, der ledede undersøgelsen med Wall og Trigo.

Den nye runde med diffuse spredningsforsøg ved LCLS viste andet. Ved at ramme vanadiumdioxid med en optisk laser med den helt rigtige energi, forskerne var i stand til at udløse en væsentlig omlægning af vanadiumatomerne. De gjorde dette mere end 100 gange i sekundet, mens de registrerede bevægelser af individuelle atomer med LCLS røntgenlaseren. De opdagede, at hvert atom fulgte et uafhængigt, tilsyneladende tilfældig vej til sin nye gitterstilling. Computersimuleringer af Duke -kandidatstuderende Shan Yang bakkede op om denne konklusion.

"Vores resultater tyder på, at lidelse kan spille en vigtig rolle i nogle materialer, "skrev teamet i Science -papiret. Selvom dette kan komplicere bestræbelserne på at kontrollere den måde, materialer skifter fra en fase til en anden, tilføjede de, "Det kan i sidste ende give et nyt perspektiv på, hvordan man kontrollerer sagen, "og foreslår endda en ny måde at fremkalde superledning med lys.

I en kommentar, der ledsager rapporten i Videnskab , Andrea Cavalleri fra Oxford University og Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter sagde, at resultaterne indebærer, at molekylære film af atomer, der ændrer position over tid, ikke tegner et komplet billede af den involverede mikroskopiske fysik.

Han tilføjede, "Mere generelt, det er klart fra dette arbejde, at røntgenfrie elektronlasere åbner langt mere, end hvad man havde forestillet sig, da disse maskiner blev planlagt, tvinger os til at revurdere mange gamle forestillinger, der er taget for givet indtil nu. "