Nowa technologia RODAS w Oak Ridge National Laboratory zapewnia szczegółowy wgląd w zmiany atomowe w materiałach, kluczowe dla postępu obliczenia kwantowe.
Zdolność tej metody do analizowania materiałów takich jak dwusiarczek molibdenu bez ich uszkadzania stanowi znaczący postęp w porównaniu z tradycyjnymi technikami, oferując potencjalny przełom w materiałoznawstwie.
Zespół naukowców kierowany przez Laboratorium Krajowe w Oak Ridge Departamentu Energii opracował nowatorską metodę obserwacji zmian materiałów na poziomie atomowym. Technika ta otwiera nowe możliwości lepszego zrozumienia i rozwoju materiałów kluczowych dla obliczeń kwantowych i elektroniki.
Przełom w kwantowej analizie materiałów
Technika ta, nazwana systemem szybkiego wykrywania i działania obiektów (RODAS), łączy obrazowanie, spektroskopię i mikroskopię w celu uchwycenia właściwości ulotnych struktur atomowych w trakcie ich powstawania. Zapewnia to niezrównany wgląd w ewolucję właściwości materiałów w najmniejszych skalach.
Tradycyjne podejścia łączące skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową (STEM) ze spektroskopią strat energii elektronów (EELS) są ograniczone, ponieważ wiązka elektronów może zmieniać lub niszczyć analizowane materiały. Ta dynamika często powoduje, że naukowcy mierzą odmienne stany, a nie zamierzone właściwości materiału. RODAS pokonuje te ograniczenia, a także integruje system z dynamicznym obrazowaniem komputerowym, które wykorzystuje technologię czasu rzeczywistego uczenie maszynowe.
Szybkie i nieniszczące badania
Analizując okaz, RODAS skupia się wyłącznie na obszarach zainteresowania. Takie podejście umożliwia szybką analizę – w ciągu sekund lub milisekund – w porównaniu z czasami kilkoma minutami, które mogą być wymagane w przypadku innych metod STEM-EELS. Co ważne, RODAS wyodrębnia kluczowe informacje bez niszczenia próbki.
Wszystkie materiały mają defekty, a defekty te mogą bezpośrednio wpływać na praktycznie dowolne właściwości materiału – na przykład elektroniczne, mechaniczne czy kwantowe. Defekty mogą układać się na różne sposoby na poziomie atomowym, zarówno wewnętrznie, jak i w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne, takie jak napromieniowanie wiązką elektronów. Niestety, lokalne właściwości tych różnych konfiguracji defektów nie są dobrze poznane. Chociaż metody STEM mogą eksperymentalnie mierzyć takie konfiguracje, badanie konkretnych konfiguracji bez ich zmiany jest niezwykle trudne.
„Zrozumienie konfiguracji defektów ma kluczowe znaczenie dla opracowywania materiałów nowej generacji” – powiedział główny autor badania, Kevin Roccapriore z Centrum Nauk o Materiałach Nanofazowych ORNL. „Gdybyśmy mieli taką wiedzę, moglibyśmy celowo stworzyć konkretną konfigurację, aby uzyskać określoną właściwość. Taka praca jest całkowicie odrębna od obserwacji i analiz, ale reprezentuje jeden potencjalnie wpływowy kierunek na przyszłość”.
Uwalnianie potencjału materiałów kwantowych
Zespół badawczy zademonstrowali swoją technikę na jednowarstwowym dwusiarczku molibdenuobiecujący materiał półprzewodnikowy do zastosowań w obliczeniach kwantowych i optyce. Dwusiarczek molibdenu jest szczególnie interesujący, ponieważ może emitować pojedyncze fotony z defektów znanych jako pojedyncze wakaty siarki. W tym materiale pojedynczy wakat siarki odnosi się do braku jednej siarki atom ze struktury sieciowej o strukturze plastra miodu, czyli układu atomów. Te wolne miejsca pracy mogą się agregować, tworząc unikalne właściwości elektroniczne, które sprawiają, że dwusiarczek molibdenu jest cenny w zaawansowanych zastosowaniach technologicznych.
Badając dwusiarczek molibdenu i podobne materiały jednowarstwowe, naukowcy mają nadzieję odpowiedzieć na istotne pytania dotyczące właściwości optycznych i elektronicznych w skali atomowej.
Nowa granica w materiałoznawstwie
Technika RODAS stanowi znaczący krok naprzód w charakteryzacji materiałów. Umożliwia badaczom dynamiczne badanie zależności struktura-właściwość podczas analizy, namierzanie określonych atomów lub defektów w celu pomiaru w miarę ich powstawania, wydajne gromadzenie danych na temat różnych typów defektów, dostosowywanie się do identyfikacji nowych klas atomów lub defektów w czasie rzeczywistym oraz minimalizowanie uszkodzeń próbek podczas prowadzenie szczegółowej analizy.
Stosując tę technologię do pojedynczej warstwy dwusiarczku molibdenu domieszkowanego wanadem, zespół badawczy zyskał nową wiedzę na temat powstawania i ewolucji defektów pod wpływem narażenia na wiązkę elektronów. Takie podejście pozwala na badanie i charakteryzację materiałów w stanach dynamicznych, oferując głębszą wiedzę o tym, jak materiały zachowują się pod różnymi bodźcami.
„Techniki nauki o materiałach, takie jak zaawansowana mikroskopia elektronowa, w dalszym ciągu poszerzają naszą wiedzę o świecie fizycznym, a systemy takie jak RODAS mogą odegrać kluczową rolę w przyspieszaniu odkryć i innowacji” – stwierdził Roccapriore. „Możliwość obserwacji i analizowania materiałów w skali atomowej w czasie rzeczywistym pokazuje potencjał przesuwania granic w informatyce, elektronice i nie tylko, a ostatecznie umożliwiając rozwój technologii transformacyjnych”.
Program badań i rozwoju ukierunkowanych na laboratorium ORNL sponsorował prace w ramach inicjatywy Interconnected Science Ecosystem, w skrócie INTERSECT. Eksperymenty STEM były wspierane przez Biuro Naukowe DOE, Wydział Podstawowych Nauk o Energii, Nauk o Materiałach i Inżynierii i zostały przeprowadzone w Centrum Nauk o Materiałach Nanofazowych, placówce użytkownika Biura Naukowego DOE w ORNL. Praca ta była wspierana w ramach Centrum Nauki o Syntezie Across Scales, Centrum Badań nad Pograniczami Energii finansowanego przez Biuro Naukowe DOE ds. Podstawowych Nauk o Energii przy Uniwersytecie Uniwersytet Waszyngtoński.
Roccapriore przebywa obecnie na urlopie przedsiębiorczym, aby wziąć udział w projekcie Skrzyżowanie Innowacji.
