量子材料における超高速原子遷移が新技術への道を拓く新研究

Tokyoブルックヘブン国立研究所の科学者たちは重要な発見をしました。彼らは、絶縁体から金属に変化する際の材料内での原子の動きを初めて映像化しました。この研究はジャーナル『ネイチャー・マテリアルズ』に掲載され、科学者たちの長年の議論に終止符を打ちました。

以下が主要なポイントです：

• 新しい物質相が発見されました
• 原子対分布関数（PDF）解析を用いて達成されました
• X線自由電子レーザー（XFEL）施設を活用しました
• ピコ秒の時間スケールでの変化を観察しました
• コンピューティング、化学、エネルギー貯蔵における潜在的な応用が示唆されています

PDF技術はシンクロトロン光源実験でよく用いられています。これらの実験の速度は、作成できる最短のX線パルスに依存します。シンクロトロン光源は、材料の変化を分から時間単位で追跡するのに効果的です。しかし、研究者たちはピコ秒単位での変化を観察することを目指していました。

この目標を達成するために、彼らはSLAC国立加速器研究所の線形コヒーレント光源（LCLS）にてPDF技術を活用しました。そこでは非常に短く強力なX線パルスを提供しています。論文の共著者であるジャック・グリフィスは、これによって素早く動く物体を詳細に捉えることが可能になると説明しています。

この方法により、チームは材料が状態を変化する際の原子の動きを映像化することが可能になりました。これらの動きは、将来的な新しい材料の設計に役立つ情報を提供します。

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研究者たちは、遷移中に新しい物質相を発見しました。レーザーパルスが原子レベルでの変化を引き起こし、「非平衡」状態への移行をもたらすことが観察されました。この発見は、異なる条件下でも安定性を保ちながら、必要に応じて確実に相を切り替えることが求められるコンピューティングのような分野において、重要な意味を持っています。

研究者たちは、レーザーを用いて原子を照射し、その影響で素材全体に変化をもたらしました。この変化により、一時的で短時間続く無秩序状態が生じました。研究者たちは、この現象がまだ発見されていない安定な物質が近くに存在する可能性を示唆していると考えています。

コロンビア大学やアルゴンヌ国立研究所をはじめとするさまざまな研究機関の研究者が協力し、XFELにおける新しいPDF技術の成功を達成しました。彼らは実験に最適なビームラインを慎重に選び、共同の取り組みにより目標を達成することができました。

新しいPDF手法は、原子の動きや物質の相変化についての情報を提供します。これにより、計算材料、超伝導体、エネルギー貯蔵の分野での改善が期待されます。今後の研究では、さまざまな量子材料における異なる相変化を探求していく予定です。

LCLSがLCLS-II-HEにアップグレードされると、チームはさらに詳細な研究を行う予定です。この技術は材料科学において一般的になるでしょう。研究の成果は、現在の問題を解決するだけでなく、新たな研究と応用の機会を生み出すことになります。