En ny tilgang til at filme atomer og molekyler, der vibrerer inde i faste stoffer

Teoretiske og eksperimentelle videnskabsmænd er gået sammen for at se faste stoffer vibrere.

Atomer eller molekyler udgør alt omkring os. I mange faste stoffer, som almindeligt salt eller jern, de er pænt arrangeret som gentagne strukturer, kaldet 'krystalgitre.' Et fast stofs opførsel til enhver ekstern faktor, som anvendt kraft, bestemmes af gitterets kollektive opførsel, ikke individuelle atomer eller molekyler. Små vibrationer af bestanddelene bestemmer gitterets kollektive respons. I stedet for de enkelte bestanddele, det er denne kollektive reaktion, der bestemmer forskellige naturfænomener, herunder hvordan varme transporteres gennem faste stoffer, og hvordan materialer ændrer tilstande mellem faste stoffer, væsker, og gasser.

I en ny undersøgelse, forskere fra Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) har udtænkt en teoretisk metode til at forudsige variationer af gitterstrukturen som reaktion på eksterne forstyrrelser. Dette studie, offentliggjort i tidsskriftet npj Beregningsmaterialer , blev delvist finansieret af IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Centre, Ministeriet for Menneskelige Ressourcer og Udvikling (nu Undervisningsministeriet), Institut for Atomenergi, og Institut for Videnskab og Teknologi, Indiens regering.

Forskere undersøger variationer i gitterstrukturen, eller dens dynamik, ved først at skabe en ydre forstyrrelse på strukturen og derefter observere, hvordan forstyrrelsen ændrer sig med tiden. Forstyrrelsen induceres ofte af korte laserlysglimt. "Hvis du forstyrrer et fast stof med laserglimt, dens atomer begynder at vibrere, " siger professor Gopal Dixit, en af ​​forfatterne til undersøgelsen.

Røntgenlys eller elektroner kan afsløre informationen om atomernes og molekylernes position i gitteret. Forskere bombarderer det faste stof med flere røntgen- eller elektronimpulser i tilfælde adskilt af et par femtosekunder – dvs. tusind af en trilliontedel af et sekund. Dermed, de kan få billeder af det faste stof i disse tilfælde, som de syr sammen for at filme de vibrerende atomer. Sådanne eksperimenter er udfordrende at designe, involverer sofistikerede instrumenter, der er dyrere end standard laboratoriemikroskoper og fås i få, sjældne faciliteter rundt om i verden. Kun i det sidste årti har videnskabsmænd været i stand til at udføre sådanne avancerede eksperimenter.

På den anden side, at studere det molekylære arrangement af uforstyrrede faste stoffer er lettere. I mere end fem årtier, videnskabsmænd har bombarderet faste stoffer som silicium med røntgen- eller elektronstråler og observeret, hvordan denne stråle interagerer med dens gitter. "Det faste stofs reaktion på strålen efterlader specifikke aftryk på den udgående stråle, afsløre de atomare vibrationer i gitteret, " siger professor Dipanshu Bansal, en anden forfatter til undersøgelsen. En innovativ matematisk teknik først opfundet af Joseph Fourier, kaldet "Fourier analyse, " hjælper dem med at studere gitterets små strukturer i både rum og tid.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne udførte matematiske beregninger og demonstrerede, at man kunne bruge en lignende teknik til at studere faste stoffer underlagt en midlertidig, ydre forstyrrelse. De brugte en udvidet version af Fouriers metode sammen med kvantefysikkens love. Derudover de brugte den grundlæggende idé om, at tiden flyder i én retning. Disse fik dem til at beregne en matematisk størrelse, som bestemmer, hvordan gitterstrukturen reagerer på den ydre forstyrrelse.

Ved at bruge denne matematiske størrelse, også kaldet "svarfunktionen, "Forskerne forudsagde, hvordan faste stoffer ville opføre sig med tiden, ned til et par femtosekunder, og plads, ned til brøkdele af en nanometer. Derefter, de beregnede responsfunktionen ud fra billeder tilgængelige fra eksperimenter udført i løbet af det sidste årti med lasere. denne mængde, forskerne i den aktuelle undersøgelse viste, matcher nøjagtigt den teoretiske responsfunktion. Deres beregning viser for første gang, at der ikke er behov for at udføre de sofistikerede eksperimenter for at studere faste stoffers dynamik.

Der er andre fordele. "Vores foreslåede metode kræver ikke separate røntgen- eller elektronimpulser adskilt af brøkdele af picosekunder for at studere dynamikken. I stedet, en enkelt puls er nok, " hævder professor Dixit. Beregningerne tager kun et par dage på personlige computere, hvorimod eksperimenterne kan tage dage til måneder.

Undersøgelsen har også bragt teoretikere og eksperimentalister sammen. "Vores arbejde er en reel succes af samarbejdsbestræbelser, " siger professor Bansal, en eksperimentel videnskabsmand. "Vi havde brug for indsigt i de nøjagtige eksperimentelle forhold, som var uforklarlige af teorien, og teoretiske fysikere til at løfte opgaven, " tilføjer professor Dixit, der er teoretiker. "Selvom der er udfordringer med at udføre eksperimenter, de teoretiske beregninger har ingen begrænsninger, " indrømmer professor Bansal, eksperimenteren.

Forskerne hævder, at deres metode er anvendelig til faste stoffer i forskellige miljøer som i et magnetfelt, under ydre pres, eller høj temperatur. "Dette er ikke muligt via selv de mest sofistikerede mikroskopiske eksperimenter, " siger professor Bansal. Selvom det ikke er let at estimere responsfunktionen ud fra de begrænsede data, der er tilgængelige i eksperimenter, hurtige teknologiske fremskridt gør det lettere at udføre undersøgelser. Forskerne planlægger også at sætte deres teori på prøve for disse eksperimenter.