Se lyd:Forskere observerer, hvordan akustiske interaktioner ændrer materialer på atomniveau

Når de udsættes for stress og belastninger, materialer kan udvise en lang række forskellige egenskaber. Ved at bruge lydbølger, forskere er begyndt at udforske grundlæggende stressadfærd i et krystallinsk materiale, der kunne danne grundlag for kvanteinformationsteknologier. Disse teknologier involverer materialer, der kan kode information i en række tilstande samtidigt, giver mulighed for mere effektiv beregning.

I en ny opdagelse af forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory og Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago, videnskabsmænd brugte røntgenstråler til at observere rumlige ændringer i en siliciumcarbidkrystal, når de brugte lydbølger til at belaste begravede defekter inde i den. Arbejdet følger på en tidligere nylig undersøgelse, hvor forskerne observerede ændringer i spin-tilstanden af ​​defektens elektroner, når materialet var på samme måde belastet.

Fordi disse defekter er godt isoleret i krystallen, de kan fungere som en enkelt molekylær tilstand og som bærere af kvanteinformation. Når elektronerne fanget nær defekterne skifter mellem spintilstande, de udsender energi i form af fotoner. Afhængigt af hvilken tilstand elektronerne er i, de udsender enten flere eller færre fotoner i en teknik kendt som spin-afhængig udlæsning.

I forsøget forskerne søgte at vurdere sammenhængen mellem den lydenergi, der blev brugt til at frembringe belastningen på defekterne i krystalgitteret og de spinovergange, som de udsendte fotoner viser. Mens defekterne i krystallen naturligt fluorescerer, den ekstra belastning får elektronens jordspin til at ændre tilstand, resulterer i en sammenhængende manipulation af spin-tilstanden, der kan måles optisk.

"Vi ønskede at se koblingen mellem lydbelastningen og lysresponsen, men for at se præcis, hvad koblingen mellem dem er, du skal både vide, hvor meget belastning du påfører, og hvor meget mere optisk respons du får ud, " sagde Argonne nanoforsker Martin Holt, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.

Elektroderne, der bruges til at generere lydbølgerne, er omkring fem mikron brede, langt større end selve defekterne, som består af to manglende atomer kendt som et divacancy-kompleks. Lydbølgen belaster defekterne ved skiftevis at skubbe og trække i dem, får elektronerne til at ændre deres spins.

For at karakterisere gitteret og defekterne, Argonne-forskere brugte Hard X-ray Nanoprobe beamline, der blev drevet i fællesskab på laboratoriets Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source (APS), både DOE Office of Science brugerfaciliteter. Gennem en nyudviklet teknik kaldet stroboskopisk Bragg diffraktionsmikroskopi, Holt og hans kolleger var i stand til at afbilde gitteret omkring defekterne på mange forskellige punkter gennem belastningscyklussen.

"Vi er interesserede i, hvordan man manipulerer den oprindelige spin-tilstand med akustiske bølger, og hvordan du rumligt kan kortlægge stammens mekanik med røntgenstråler, " sagde Argonne-materialeforsker og PME-medarbejder Joseph Heremans, en anden forfatter til undersøgelsen.

"Røntgenstrålerne måler nøjagtigt gitterforvrængningen, " tilføjede Holt.

Stroboskopisk Bragg-diffraktion involverer synkronisering af frekvensen af ​​den akustiske bølge med frekvensen af ​​elektronimpulserne i APS'ens lagerring. På denne måde forskerne var i det væsentlige i stand til at "fryse bølgen i tide, " ifølge Holt. Dette gjorde det muligt for dem at skabe en række billeder af den belastning, som gitteret oplever ved hvert punkt på bølgen.

"Det er ligesom hvis du havde krusninger i en dam, og du kunne skinne et lys på et sted i dammen, " sagde Holt. "Du ville se en bevægelse fra top til lavpunkt, og bunden til toppen."

"Vi afbilder direkte lydens fodaftryk, der går gennem denne krystal, " tilføjede Heremans. "Lydbølgerne får gitteret til at bue, og vi kan måle nøjagtigt, hvor meget gitteret kurver ved at gå gennem et bestemt punkt i gitteret på et bestemt tidspunkt."

Brugen af ​​stroboskopisk Bragg-diffraktion gør det muligt for forskere at bestemme den direkte sammenhæng mellem den dynamiske belastning og defektens kvanteadfærd, sagde Holt. I siliciumcarbid, dette forhold er ret godt forstået, men i andre materialer kunne teknikken afsløre overraskende forhold mellem belastning og andre egenskaber.

"Denne teknik åbner en måde for os at finde ud af adfærden i en masse systemer, hvor vi ikke har en god analytisk forudsigelse af, hvad forholdet skal være, " sagde Holt.

"Denne undersøgelse kombinerer ekspertise fra en førende akademisk institution med state-of-the-art instrumentering af et nationalt laboratorium for at udvikle en ny teknik til at sondere stof på atomskala, afsløre lydbølgernes evne til at kontrollere halvlederkvanteteknologier, " tilføjede Argonne seniorforsker og PME Liew familieprofessor i molekylær teknik David Awschalom, en samarbejdspartner i forskningen.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Korrelerer dynamisk belastning og fotoluminescens af faststofdefekter med stroboskopisk røntgendiffraktionsmikroskopi, " optrådte i onlineudgaven den 29. juli af Naturkommunikation .