Lytte til laviner i nanoskala af atomer i krystaller

Et nyligt UNSW-ledet papir offentliggjort i Nature Communications præsenterer en spændende ny måde at lytte til laviner af atomer i krystaller.

Atomernes bevægelse på nanoskala, når materialer deformeres, fører til lydemission. Denne såkaldte knitrende støj er et skala-invariant fænomen, der findes i forskellige materialesystemer som en reaktion på eksterne stimuli såsom kraft eller eksterne felter.

Rykkende materialebevægelser i form af laviner kan spænde over mange størrelsesordener i størrelse og følge universelle skaleringsregler beskrevet af magtlove. Konceptet blev oprindeligt undersøgt som Barkhausen-støj i magnetiske materialer og bruges nu på forskellige områder fra jordskælvsforskning og overvågning af byggematerialer til grundforskning, der involverer faseovergange og neurale netværk.

Den nye metode til måling af knitrende støj i nanoskala udviklet af forskere fra UNSW og University of Cambridge er baseret på SPM-nanoindentation.

"Vores metode giver os mulighed for at studere den knitrende støj fra individuelle nanoskalaegenskaber i materialer, såsom domænevægge i ferroelektrik," siger hovedforfatter Dr. Cam Phu Nguyen. "Typerne af atomlaviner er forskellige omkring disse strukturer, når materialet deformeres."

Et af metodens mest spændende aspekter er det faktum, at individuelle nanoskalatræk kan identificeres ved at afbilde materialets overflade, før den indrykkes. Denne differentiering muliggør nye undersøgelser, som ikke var mulige tidligere.

I en første anvendelse af den nye teknologi har UNSW-forskerne brugt metoden til at undersøge diskontinuiteter i ordnede materialer, kaldet domænevægge.

"Domænevægge har været i fokus for vores forskning i nogen tid. De er yderst attraktive som byggesten til post-Moores lovelektronik," siger forfatter prof Jan Seidel, også ved UNSW. "Vi viser, at kritiske eksponenter for laviner ændres ved disse nanoskala-funktioner, hvilket fører til en undertrykkelse af blandet-kritikalitet, som ellers er til stede i domæner."

Fra perspektivet af applikationer og nye materialefunktioner præsenterer knitrende støjmikroskopi en ny mulighed for at generere avanceret viden om sådanne funktioner på nanoskala. Undersøgelsen diskuterer eksperimentelle aspekter af metoden og giver et perspektiv på fremtidige forskningsretninger og anvendelser.

Flere oplysninger: Cam-Phu Thi Nguyen et al., Crackling noise microscopy, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40665-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET)