Prof. Sebastian Loth i jego zespół uchwycili ruch elektronów na poziomie atomowym w ciałach stałych z niespotykaną dotąd precyzją przestrzenną i czasową, co przyczyniło się do postępu w badaniach nad materiałami. Ich odkrycia mogą prowadzić do bardziej ukierunkowanego rozwoju materiałów, ujawniając, w jaki sposób zmiany atomowe wpływają na ruch elektronów.
Po raz pierwszy prof. Sebastian Loth i jego zespół uchwycili ruch elektronów w ciałach stałych w skali atomowej z wyjątkową rozdzielczością przestrzenną i czasową, co oznacza znaczący postęp w badaniach materiałowych. Ich odkrycia zostały opublikowane w Fizyka Przyrody.
„Dzięki opracowanej przez nas metodzie możemy uczynić rzeczy widocznymi, jakich nikt wcześniej nie widział” – mówi prof. Sebastian Loth, dyrektor zarządzający Instytutu Materii Funkcjonalnej i Technologii Kwantowych (FMQ) na Uniwersytecie w Stuttgarcie. „Dzięki temu możliwe jest rozstrzygnięcie pytań dotyczących ruchu elektronów w ciałach stałych, które pozostają bez odpowiedzi od lat 80. XX wieku”. Jednak odkrycia grupy Lotha mają także bardzo praktyczne znaczenie dla rozwoju nowych materiałów.
Drobne zmiany o makroskopowych konsekwencjach
W metalach, izolatorach i półprzewodnikiświat fizyczny jest prosty. Jeśli zmienisz kilka atomów na poziomie atomowym, właściwości makroskopowe pozostaną niezmienione. Na przykład metale modyfikowane w ten sposób nadal przewodzą prąd elektryczny, podczas gdy izolatory już nie.
Jednak sytuacja jest inna w przypadku bardziej zaawansowanych materiałów, które można wyprodukować jedynie w laboratorium: minimalne zmiany na poziomie atomowym powodują nowe zachowanie makroskopowe. Na przykład niektóre z tych materiałów nagle zmieniają się z izolatorów w nadprzewodniki, tj. przewodzą prąd bez strat ciepła. Zmiany te mogą zachodzić niezwykle szybko, w ciągu pikosekund, ponieważ wpływają na ruch elektronów w materiale bezpośrednio w skali atomowej.
Pikosekunda to niezwykle krótka, zaledwie bilionowa część sekundy. Jest to taka sama proporcja do mrugnięcia okiem, jak mrugnięcie okiem do okresu ponad 3000 lat.
Rejestracja ruchu kolektywu elektronowego
Grupa robocza Lotha znalazła teraz sposób na obserwację zachowania tych materiałów podczas tak małych zmian na poziomie atomowym. W szczególności naukowcy zbadali materiał składający się z pierwiastków niobu i selenu, w którym w stosunkowo niezakłócony sposób można zaobserwować jeden efekt: zbiorowy ruch elektronów w fali gęstości ładunku.
Loth i jego zespół badali, w jaki sposób pojedyncza nieczystość może zatrzymać ten zbiorowy ruch. W tym celu badacze ze Stuttgartu przykładają do materiału niezwykle krótki impuls elektryczny, trwający zaledwie jedną pikosekundę. Fala gęstości ładunku jest dociskana do zanieczyszczeń i wysyła do zbioru elektronów zniekształcenia wielkości nanometrów, co powoduje bardzo złożony ruch elektronów w materiale przez krótki czas.
Ważne prace wstępne dotyczące przedstawionych obecnie wyników przeprowadzono w Instytucie Badań nad Ciała Stałego Maxa Plancka (MPI FKF) w Stuttgarcie oraz w Instytucie Struktury i Dynamiki Materii Maxa Plancka (MPSD) w Hamburgu, gdzie Loth prowadził badania zanim został powołany na uniwersytet w Stuttgarcie.
Opracowywanie materiałów o pożądanych właściwościach
„Jeśli zrozumiemy, w jaki sposób zostaje zatrzymany ruch kolektywu elektronów, będziemy mogli również opracować materiały o pożądanych właściwościach w bardziej ukierunkowany sposób” – Loth wyjaśnia potencjał wyników. Inaczej mówiąc: ponieważ nie ma doskonałych materiałów bez zanieczyszczeń, opracowana metoda mikroskopowa pomaga zrozumieć, w jaki sposób należy ułożyć zanieczyszczenia, aby uzyskać pożądany efekt techniczny.
„Projektowanie na poziomie atomowym ma bezpośredni wpływ na makroskopowe właściwości materiału” – mówi Loth, opisując znaczenie wyników badań. Efekt ten można wykorzystać na przykład w ultraszybkich materiałach przełączających w przyszłych czujnikach lub komponentach elektronicznych.
Eksperyment powtarzany 41 milionów razy na sekundę
„Istnieją ustalone metody wizualizacji poszczególnych atomów lub ich ruchów” – wyjaśnia Loth. „Ale dzięki tym metodom można osiągnąć wysoką rozdzielczość przestrzenną lub wysoką rozdzielczość czasową”. Aby nowy mikroskop ze Stuttgartu mógł osiągnąć oba te cele, fizyk i jego zespół łączą skaningowy mikroskop tunelowy, który rozdziela materiały na poziomie atomowym, z ultraszybką metodą spektroskopii znaną jako spektroskopia z sondą pompową.
Aby możliwe było wykonanie niezbędnych pomiarów, wyposażenie laboratorium musi być wyjątkowo dobrze ekranowane. Wibracje, hałas i ruch powietrza są szkodliwe, podobnie jak wahania temperatury i wilgotności w pomieszczeniu. „Dzieje się tak, ponieważ mierzymy wyjątkowo słabe sygnały, które w przeciwnym razie łatwo zgubiłyby się w szumie tła” – podkreśla Loth.
Ponadto zespół musi bardzo często powtarzać te pomiary, aby uzyskać miarodajne wyniki. Naukowcom udało się zoptymalizować swój mikroskop w taki sposób, aby powtarzał eksperyment 41 milionów razy na sekundę, uzyskując w ten sposób szczególnie wysoką jakość sygnału. „Jak dotąd tylko nam się to udawało” – mówi Loth.
Odniesienie: „Spektroskopia terahercowa dynamiki fali zbiorczej gęstości ładunku w skali atomowej” Shaoxiang Sheng, Mohamad Abdo, Steffen Rolf-Pissarczyk, Kurt Lichtenberg, Susanne Baumann, Jacob AJ Burgess, Luigi Malavolti i Sebastian Loth, 15 lipca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02552-7
