Lås hemmelighederne ved metalisolatorovergange op

Ved at bruge en røntgenteknik tilgængelig på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), forskere fandt ud af, at metalisolatorovergangen i det korrelerede materiale magnetit er en to-trins proces. Forskerne fra University of California Davis offentliggjorde deres papir i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . NSLS-II, et US Department of Energy (DOE) Office of Science -brugerfacilitet placeret på Brookhaven National Laboratory, har unikke funktioner, der gør det muligt at anvende teknikken med stabilitet og kontrol over lange perioder.

"Korrelerede materialer har interessant elektronisk, magnetisk, og strukturelle egenskaber, og vi forsøger at forstå, hvordan disse egenskaber ændres, når deres temperatur ændres eller under anvendelse af lyspulser, eller et elektrisk felt "sagde Roopali Kukreja, en UC Davis -professor og hovedforfatter af papiret. En sådan egenskab er elektrisk ledningsevne, som afgør, om et materiale er metallisk eller isolerende.

Hvis et materiale er en god leder af elektricitet, det er normalt metallisk, og hvis det ikke er, det er så kendt som en isolator. I tilfælde af magnetit, temperaturen kan ændre sig, om materialet er en leder eller isolator. For den publicerede undersøgelse, forskernes mål var at se, hvordan magnetitten ændrede sig fra isolator til metallisk på atomniveau, da den blev varmere.

I ethvert materiale, der er et specifikt arrangement af elektroner inden for hvert af dets milliarder af atomer. Denne rækkefølge af elektroner er vigtig, fordi den dikterer et materiales egenskaber, for eksempel dens ledningsevne. For at forstå metal-isolatorovergangen af ​​magnetit, forskerne havde brug for en måde at se, hvordan arrangementet af elektronerne i materialet ændrede sig med ændringen af ​​temperaturen.

"Dette elektroniske arrangement er relateret til, hvorfor vi tror, ​​magnetit bliver en isolator, sagde Kukreja. at studere dette arrangement og hvordan det ændres under forskellige betingelser krævede, at forskerne kunne se magnetitten i en super-lille skala.

Teknikken, kendt som røntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS), tilgængelig på NSLS-II's Coherent Soft X-ray scattering (CSX) beamline, gav forskerne mulighed for at se på, hvordan materialet ændrede sig på nanoskalaen - i størrelsesordenen milliarder af en meter.

"CSX er designet til blød røntgen-kohærent spredning. Det betyder, at strålelinjen udnytter vores ultrabright, stabil og sammenhængende kilde til røntgenstråler for at analysere, hvordan elektronens arrangement ændrer sig over tid, "forklarede Andi Barbour, en CSX -videnskabsmand, der er medforfatter på papiret. "Den fremragende stabilitet gør det muligt for forskere at undersøge små variationer over timer, så den iboende elektronadfærd i materialer kan afsløres."

Imidlertid, dette er ikke direkte synligt, så XPCS bruger et trick til at afsløre oplysningerne.

"XPCS-teknikken er en kohærent spredningsmetode, der er i stand til at sondre dynamik i et system med kondenseret stof. Der genereres et stavmønster, når en sammenhængende røntgenstråle spredes fra en prøve, som et fingeraftryk af dets inhomogenitet i det virkelige rum, "sagde Wen Hu, en videnskabsmand ved CSX og medforfatter af papiret.

Forskere kan derefter anvende forskellige betingelser for deres materiale, og hvis plettet mønster ændres, det betyder, at elektronens rækkefølge i prøven ændrer sig. "Grundlæggende, XPCS måler, hvor meget tid det tager for en prikkels intensitet at blive meget forskellig fra den gennemsnitlige intensitet, som er kendt som afkorrelation, "sagde Claudio Mazzoli, den ledende beamline -forsker ved CSX -beamline. "I betragtning af mange pletter på én gang, ensemble -dekorrelationstiden er signaturen for den dynamiske tidsskala for en given prøvetilstand. "

Teknikken afslørede, at metal-isolatorovergangen ikke er en et-trins proces, som man tidligere troede, men sker faktisk i to trin.

"Det, vi forventede, var, at tingene ville gå hurtigere og hurtigere under opvarmningen. Det, vi så, var, at tingene blev hurtigere og hurtigere, og så bremsede de. Så den hurtige fase er et trin, og det andet trin er at bremse, og det skal ske, før materialet bliver metallisk, "sagde Kukreja. Forskerne formoder, at nedbremsningen sker, fordi, under faseændringen, de metalliske og isolerende egenskaber eksisterer faktisk på samme tid i materialet.

"Denne undersøgelse viser, at disse nanometerlængder er virkelig vigtige for disse materialer, "sagde Kukreja." Vi kan ikke få adgang til disse oplysninger og disse eksperimentelle parametre andre steder end ved CSX beamline af NSLS-II. "