Forskere udvikler en ny model til at forudsige overfladeatomspredning

En gruppe Cornell-ledede forskere i Center for Bright Beams har udviklet en ny teoretisk tilgang til at beregne, hvordan atomer spredes fra overflader. Metoden, udviklet af den nyligt tildelte Cornell fysik Ph.D. Michelle Kelley og hendes samarbejdspartnere og offentliggjort i Physical Review Letters , er den første metode til eksplicit at beregne interaktionerne mellem et spredningsatom med en overflade direkte ud fra de første principper.

For at forstå et materiales overflade kan du bruge en stråle af elektroner eller røntgenstråler til at sondere overfladen, men det ville beskadige materialet. I årevis har forskere undersøgt krystallinske materialeoverflader ved hjælp af spredning af molekyler fra overfladen. Især helium er velegnet til denne opgave, fordi det er i stand til at give opløsning på atomare skala ved lave energier. Men de modeller, som forskere har brugt til at forstå materialeegenskaber på denne måde, er mangelfulde.

Når helium spredes fra en overflade, spreder det materialets frie elektrontæthed i stedet for at trænge ind i materialets overflade og efterlader ingen skade, mens det stadig vækker nyttige vibrationer i overfladen. Dette gør heliumstråler potentielt meget nyttige til at forstå materialers overfladeegenskaber på molekylært niveau.

"I modsætning til spredningselektroner eller røntgenstråler er atomare og molekylære stråler ikke-destruktive overfladeprober, der giver mulighed for undersøgelser af stadigt mere følsomme og sarte prøver, og skubber de videnskabelige grænser for overfladetyper, der let kan undersøges," sagde Kelley.

Men for at atomspredning skal være nyttig, er nøjagtige teoretiske forudsigelser af spredningssignaturer nøglen. Til dato er disse prædiktive modeller blevet oversimplificeret eller vildledende. Kelley og hendes gruppe har fremsat en ny metode til forudsigelsesspredning, der giver en fuldstændig ab initio, eller fra starten, tilgang til at styre ikke-destruktiv atomstrålespredning såsom helium-atomspredning.

"Vi kan nu, for første gang, teoretisk, uden nogen udefrakommende input eller antagelser, beregne, hvordan heliumatomer afsætter energi i et materiale, når de hopper af dets overflade," sagde Tomás Arias, professor i fysik ved College of Arts og Sciences (A&S), der ledede og overvågede forskningen.

Kelleys gruppe brugte overfladeinteraktionerne af en heliumstråle med en niobiumoverflade til at fange, hvordan atomspredning og fononexcitation interagerede med hinanden. Dette gjorde det muligt for dem at skabe denne nye forudsigende teori, der vil ændre den måde, forskere modellerer overfladestruktur på. Selvom teorien blev udviklet ved hjælp af en heliumstråle og niobium, kan den generelt anvendes på andre atom-overfladekombinationer.

"Vores nye teoretiske tilgang producerer resultater med høj nøjagtighed, da den fuldstændig undgår upålidelige modeller og den tilhørende justering af parametre, der var påkrævet i tidligere semi-empiriske tilgange," sagde Kelley. "Forbedring af nøjagtigheden af ​​teoretiske forudsigelser af denne art vil hjælpe med at guide og fortolke næste generations eksperimenter, der bruger atomstrålespredning som en ikke-destruktiv sonde af følsomme overfladeegenskaber."

"Dette resultat vil hjælpe med at forbedre vores forståelse af, hvordan elektroner og atomer i et materiale interagerer," sagde Arias, "at kaste lys over vigtige fænomener, herunder superledning ved at vejlede sådanne eksperimenter og forbedre deres fortolkning."

Flere oplysninger: Michelle M. Kelley et al., Fully Ab Initio Approach to Inelastic Atom-Surface Scattering, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Cornell University