Afsløre skjulte faser af stof gennem lysets kraft

De fleste mennesker tænker på, at vand kun eksisterer i én af tre faser:fast is, flydende vand, eller gasdamp. Men stof kan eksistere i mange forskellige faser – is, for eksempel, har mere end ti kendte faser, eller måder, hvorpå dets atomer kan arrangeres rumligt. Den udbredte brug af piezoelektriske materialer, mikrofoner og ultralyd, er mulig takket være en grundlæggende forståelse af, hvordan en ekstern kraft, som pres, temperatur, eller elektricitet, kan føre til faseovergange, der tilfører materialer nye egenskaber.

En ny undersøgelse viser, at et metaloxid har en "skjult" fase, en der giver materialet nyt, ferroelektriske egenskaber, evnen til at adskille positive og negative ladninger, når den aktiveres af ekstremt hurtige lysimpulser. Forskningen blev ledet af MIT-forskere Keith A. Nelson, Xian Li, og Edoardo Baldini, i samarbejde med Andrew M. Rappe og Penn kandidatstuderende Tian Qiu og Jiahao Zhang. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab .

Deres arbejde åbner døren til at skabe materialer, hvor man kan tænde og slukke egenskaber på en billiontedel af et sekund med et tryk på en kontakt, nu med meget bedre kontrol. Ud over at ændre det elektriske potentiale, denne fremgangsmåde kunne bruges til at ændre andre aspekter af eksisterende materialer - at omdanne en isolator til et metal eller vende dens magnetiske polaritet, for eksempel.

"Det åbner en ny horisont for hurtig funktionel materialerekonfiguration, "siger Rappe.

Gruppen studerede strontiumtitanat, et paraelektrisk materiale, der anvendes i optiske instrumenter, kondensatorer, og modstande. Strontiumtitanat har en symmetrisk og upolær krystalstruktur, der kan "skubbes" ind i en fase med en polær, tetragonal struktur med et par modsat ladede ioner langs sin lange akse.

Nelson og Rappes tidligere samarbejde gav det teoretiske grundlag for denne nye undersøgelse, som støttede sig på Nelsons erfaring med at bruge lys til at inducere faseovergange i faste materialer sammen med Rappes viden om udvikling af computermodeller på atomniveau.

"[Nelson er] eksperimenteren, og vi er teoretikere, "siger Rappe." Han kan rapportere, hvad han synes, der sker baseret på spektre, men fortolkningen er spekulativ, indtil vi giver en stærk fysisk forståelse af, hvad der skete."

Med nylige forbedringer inden for teknologi og yderligere viden opnået ved at arbejde med terahertz-frekvenser, de to kemikere satte sig for at se, om deres teori, nu mere end ti år gammel, holdt stik. Rappes udfordring var at komplementere Nelsons eksperimenter med en nøjagtig computergenereret version af strontiumtitanat, med hvert enkelt atom sporet og repræsenteret, der reagerer på lys på samme måde som det materiale, der testes i laboratoriet.

De fandt ud af, at når strontiumtitanat exciteres med lys, ionerne trækkes i forskellige retninger, med positivt ladede ioner, der bevæger sig i den ene retning og negativt ladede ioner i den anden. Derefter, i stedet for at ionerne straks falder tilbage på plads, som et pendul ville gøre efter det er blevet skubbet, vibrationsbevægelser induceret i de andre atomer forhindrer ionerne i at svinge tilbage med det samme.

Det er som om pendulet, i det øjeblik, den når den maksimale højde af sin svingning, er ført lidt ud af kurs, hvor et lille hak holder den på plads væk fra dens udgangsposition.

Takket være deres stærke historie af samarbejde, Nelson og Rappe var i stand til at gå frem og tilbage fra de teoretiske simuleringer til eksperimenterne, og omvendt, indtil de fandt eksperimentelle beviser, der viste, at deres teori holdt stik.

"Det har været et fantastisk samarbejde, " siger Nelson. "Og det illustrerer, hvordan ideer kan simre og så vende tilbage i fuld kraft efter mere end 10 år."

De to kemikere vil samarbejde med ingeniører om fremtidig applikationsdrevet forskning, såsom at skabe nye materialer, der har skjulte faser, ændring af lyspulsprotokoller for at skabe længerevarende faser, og se, hvordan denne tilgang virker for nanomaterialer. For nu, begge forskere er begejstrede for deres resultater, og hvor dette grundlæggende gennembrud kan føre hen i fremtiden.

"Det er enhver videnskabsmands drøm:At udklække en idé sammen med en ven, at kortlægge konsekvensen af ​​den idé, så at have en chance for at oversætte det til noget i laboratoriet, det er yderst glædeligt. Det får os til at tro, at vi er på rette vej mod fremtiden, " siger Rappe.