Kwantowe przejścia materii uchwycone w pierwszych w historii filmach o atomie

Naukowcy opracowali technikę tworzenia filmów atomowych pokazujących przejście materiału kwantowego od izolatora do metalu, odkrywając nową fazę materiałową i pogłębiając wiedzę na temat właściwości materiałów, co ma istotne implikacje dla projektowania materiałów.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) stworzyli pierwsze w historii filmy atomowe pokazujące, w jaki sposób atomy lokalnie przestawiają się w materiale kwantowym podczas jego przejścia z izolatora w metal. Za pomocą tych filmów naukowcy odkryli nową fazę materiałową, która rozstrzyga wieloletnią debatę naukową i może ułatwić projektowanie nowych materiałów przejściowych do zastosowań komercyjnych.

Badania te, opublikowane niedawno w Materiały natury, stanowi osiągnięcie metodologiczne; badacze wykazali, że technika charakteryzowania materiałów zwana analizą funkcji rozkładu par atomowych (PDF) jest wykonalna i skuteczna w urządzeniach wykorzystujących rentgenowski laser na swobodnych elektronach (XFEL). Plik PDF jest zwykle stosowany w eksperymentach ze źródłami światła synchrotronowego, podczas których próbki są bombardowane impulsami promieni rentgenowskich. Badając, jak zmieniają się wzory dyfrakcji promieni rentgenowskich po interakcji z materiałami, naukowcy mogą lepiej zrozumieć właściwości tych materiałów. Jednak eksperymenty te są ograniczone przez najkrótsze impulsy rentgenowskie, jakie można wygenerować.

Postęp w technologii impulsów rentgenowskich

„To jak czas otwarcia migawki aparatu fotograficznego” – wyjaśnił Jack Griffiths, współautor artykułu. „Jeśli robisz zdjęcie czegoś, co zmienia się szybciej niż czas otwarcia migawki aparatu, zdjęcie będzie niewyraźne. Podobnie jak krótki czas otwarcia migawki, krótsze impulsy rentgenowskie pomagają nam bardziej szczegółowo przyjrzeć się szybko zmieniającym się materiałom”. Griffiths był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w Grupie Rozpraszania Rentgena na Wydziale Fizyki Materii Skondensowanej i Nauki o Materiałach (CMPMS) w Brookhaven, kiedy badania były prowadzone, a obecnie jest pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), DOE Obiekt użytkownika Office of Science w Brookhaven Lab.

Synchrotronowe źródła światła doskonale nadają się do charakteryzowania materiałów, które się nie zmieniają lub materiałów, które zmieniają się w ciągu minut lub godzin, takich jak akumulatory podczas ładowania i rozładowywania. Ale ta grupa naukowców chciała obserwować zmiany materialne w pikosekundowych skalach czasu.

„Trudno sobie wyobrazić, jak szybka jest naprawdę pikosekunda” – powiedział Griffiths. W ciągu jednej sekundy światło może okrążyć Ziemię siedem i pół razy. Ale w ciągu jednej pikosekundy światło może przebyć tylko jedną trzecią milimetra. „Skale czasu są prawie nieporównywalne”.

Przełamywanie barier dzięki XFEL

Dlatego naukowcy przenieśli technikę PDF do XFEL zwanego Linac Coherent Light Source (LCLS), obiektu użytkownika DOE Office of Science w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC DOE, który generuje niezwykle jasne i krótkie impulsy promieni rentgenowskich.

„Kiedy robisz coś po raz pierwszy, zawsze pojawia się aspekt nieznanego. Może to być stresujące, ale także bardzo ekscytujące” – powiedział Emil Bozin, drugi współautor i fizyk w CMPMS X-ray Scattering Group. „Znaliśmy podstawowe ograniczenia związane z przesyłaniem plików PDF do formatu XFEL, ale tak naprawdę nie wiedzieliśmy, czego się spodziewać”.

Rewolucyjne odkrycia

Dzięki krótkiemu czasowi otwarcia migawki LCLS naukowcy byli w stanie stworzyć filmy wyjaśniające ruch atomów, taki jak ten, który ma miejsce, gdy próbka materiału kwantowego przechodzi między metalem a izolatorem.

„Byłem po prostu zdumiony tym, jak dobrze to zadziałało” – powiedział Simon Billinge, fizyk z grupy rozpraszania promieni rentgenowskich i profesor na Uniwersytecie Uniwersytet ColumbiaSzkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych.

„To przypomina korzystanie z aplikacji nawigacyjnej” – dodał Billinge. „Wiesz, gdzie teraz jesteś i jaki jest cel podróży, ale potrzebujesz aplikacji, która poda Ci trasę lub kilka opcji trasy. Naszą aplikacją do nawigacji był ultraszybki plik PDF.”

Zrozumienie tych tras atomowych jest ważnym pierwszym krokiem w projektowaniu materiałów przejściowych o niezliczonych zastosowaniach w informatyce, chemii i magazynowaniu energii. Gdy naukowcy zrozumieją, w jaki sposób zmieniają się materiały, będą mogli manipulować trasami atomowymi i projektować materiały zoptymalizowane pod kątem zastosowań komercyjnych. Na przykład materiały pamięci komputera przechodzą do innej fazy po zapisaniu pliku. W tym przypadku ważne jest, aby mieć materiały, które nie wymagają dużej ilości energii do przełączania faz. Muszą jednak być również odporne na niepożądane przełączanie faz i uszkodzenie danych przez długi czas.

Skoordynowane wysiłki

„Przygotowanie pliku PDF do pracy z XFEL było wynikiem ogromnego wysiłku organizacyjnego” – powiedział Ian Robinson, lider grupy rozpraszania promieni rentgenowskich w Brookhaven Lab i profesor w Londyńskim Centrum Nanotechnologii na University College London (UCL). Na przykład Robinson zauważył: „ściśle współpracowaliśmy z Sébastienem Boutetem i Vincentem Esposito z LCLS, aby ustalić, czy linie promieni makromolekularnej krystalografii femtosekundowej (MFX) były najbardziej obiecujące dla techniki PDF”.

W skład zespołu wchodzili także fizycy z Uniwersytetu Columbia, Uniwersytetu Wisconsin w Madison, Narodowego Laboratorium Argonne w DOE oraz Brytyjskiej Rady ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych.

Dzięki udanym eksperymentom potwierdzającym zasadność badacze chcieli przyjrzeć się kolejnemu przejściu fazowemu materiału kwantowego, które naukowcy badają jako „model” dla innych przydatnych materiałów. Wzbudzenie materiału impulsem laserowym doprowadziło do ekscytującego odkrycia.

Odkrycie nowej fazy materialnej

Podobnie jak w przypadku przejścia izolatora w metal w tym materiale kwantowym, niektóre przejścia materiałów są napędzane zmianami temperatury, ciśnienia lub pola magnetycznego. Ponieważ jednak te zmiany środowiskowe mogą wystąpić w sposób naturalny lub niezamierzony, w niektórych zastosowaniach mogą być zawodne. W przypadku komputerów ważne jest, aby materiały odpowiedzialne za przechowywanie plików nie zamieniły się fazami tylko dlatego, że w pomieszczeniu zrobiło się za gorąco lub za zimno.

Dlatego naukowcy przyjrzeli się przejściom „nierównowagowym”, czyli zmianie stanu materiału wywołanej niezawodnym i kontrolowanym wyzwalaczem. W tym przypadku uderzyli materiał kwantowy impulsem laserowym.

Chociaż światło lasera zakłóciło zaledwie kilka atomów, sąsiedzi tych atomów zareagowali na tę zmianę. A potem sąsiedzi sąsiadów odczuli wpływ, aż lokalna zmiana rozprzestrzeniła się na cały materiał kwantowy.

„To było tak, jak trzęsienie ziemi na dnie oceanu może rozerwać odrobinę wody i stworzyć falę, która ostatecznie dociera do krawędzi oceanu” – dodał Billinge.

Korzystając z ultraszybkiego pliku PDF, badacze uważnie obserwowali ruch atomów podczas bombardowania próbki impulsami laserowymi. Po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali przejście materiału kwantowego do nowego stanu, który nie został jeszcze zidentyfikowany.

Stany przejściowe i fazy ukryte

„To było jak odkrycie nowej, ukrytej fazy materii, niedostępnej podczas przejść równowagowych” – powiedział Bozin.

Odkrycie naukowców przyczyniło się do trwającej od lat debaty na temat tego, co naprawdę dzieje się, gdy określone materiały kwantowe są wzbudzane przez laser; nie chodzi tu tylko o ogrzewanie materiału, ale raczej o wytworzenie przejściowego „metastabilnego” stanu pośredniego.

Co ciekawe, materiał był nieuporządkowany przez dziesiątki pikosekund, „mimo że rozpoczął się i zakończył w uporządkowanym stanie” – powiedział Griffiths.

Robinson dodał: „Odkrycie stanu przejściowego reprezentuje nową fazę materiału, który żyje tylko przez krótki czas. To istotny sygnał, że w pobliskim składzie może znajdować się nieodkryty, w pełni stabilny materiał.”

Naukowcy chętnie odkrywają te „ukryte” materiały. Chcą jednak także uwolnić pełny potencjał nowej, ultraszybkiej techniki PDF.

Przyszłość ultraszybkiego pliku PDF

„Istnieje kilka form złożonych przełączników fazowych występujących w materiałach kwantowych i planujemy je zbadać za pomocą ultraszybkiego pliku PDF” – powiedział Bozin. „Zrozumienie tych przejść fazowych może ułatwić rozwój materiałów komercyjnych. Jednak społeczność naukowa może również wykorzystać tę technikę, aby odpowiedzieć na podstawowe pytania z fizyki, zbadać zjawiska ultraszybkie i zbudować lepsze nadprzewodniki”.

Dodał: „Chociaż odpowiedzieliśmy na pytania dotyczące ścieżek przejścia materialnego, wydaje się, że raczej otworzyliśmy drzwi, niż je zamknęliśmy”.

Podobnie jak ten projekt, przyszłe projekty nie odniosą sukcesu bez współpracy multidyscyplinarnej.

Współpraca multidyscyplinarna

„Nie tylko korzystaliśmy z obiektów LCLS w SLAC” – wyjaśnił Billinge. „Ludzie tam również odegrali kluczową rolę w sukcesie ultraszybkiego pliku PDF”.

Zespół Brookhaven jest gotowy zoptymalizować ultraszybką technikę PDF, zwłaszcza po modernizacji LCLS do LCLS-II-HE, co umożliwi jeszcze wyższą rozdzielczość filmów molekularnych.

„Istnieje międzynarodowe zainteresowanie uczynieniem tej techniki rutynową i skuteczną” – powiedział Bozin. „I nie możemy się doczekać, aby być tego częścią”.

Odniesienie: „Rozwiązywanie zaburzeń przejściowych zależnych od długości poprzez ultraszybkie przejście fazowe” autorstwa Jacka Griffithsa, Ana F. Suzana, Longlong Wu, Samuela D. Marksa, Vincenta Esposito, Sébastiena Bouteta, Paula G. Evansa, JF Mitchella, Marka PM Dean, David A. Keen, Ian Robinson, Simon JL Billinge i Emil S. Bozin, 15 lipca 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-01974-1

Przygotowanie próbek przeprowadzono w Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych, placówce użytkownika DOE Office of Science w Brookhaven Lab. Dodatkowe pomiary wykonano w Advanced Photon Source, obiekcie użytkownika DOE Office of Science w Argonne.

Prace te były wspierane głównie przez Biuro Naukowe DOE.