Atomaire films tonen razendsnelle materiële overgangen; nieuwe fase ontdekt met LCLS-techniek

AmsterdamWetenschappers van het Brookhaven National Laboratory hebben een belangrijke ontdekking gedaan. Ze hebben de eerste films gemaakt die laten zien hoe atomen zich verplaatsen in een materiaal wanneer het verandert van een isolator naar een metaal. Dit onderzoek, dat is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials, brengt een einde aan een langlopend debat onder wetenschappers.

Belangrijke Ontwikkelingen:

• Ontdekking van nieuwe materiaalfase
• Bereikt door analyse van atomaire paarverdelingsfunctie (PDF)
• Benutten van X-ray vrije-elektronen laser (XFEL) faciliteiten
• Waarnemingen op tijdschalen van picoseconden
• Potentiële toepassingen in computertechnologie, chemie en energieopslag

De PDF-techniek wordt vaak toegepast in experimenten met synchrotronlichtbronnen. Deze experimenten zijn zo snel als de kortste röntgenpulsen die ze kunnen produceren. Synchrotronbronnen zijn effectief voor het volgen van veranderingen in materialen over tijdsbestekken van minuten tot uren. De onderzoekers wilden echter veranderingen waarnemen die zich binnen picoseconden voordoen.

Om dit doel te bereiken, maakten zij gebruik van de PDF-techniek bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory, waar ze beschikking hebben over zeer korte en intense röntgenpulsen. Medeauteur Jack Griffiths legde uit dat dit een gedetailleerde registratie van snel bewegende objecten mogelijk maakt.

De methode stelde het team in staat om films te maken die laten zien hoe atomen bewegen wanneer materialen van toestand veranderen. Deze bewegingen kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen in de toekomst.

Lees ook:

Vandaag · 01:34

Nieuw onderzoek: DNA schadelijker voor planten dan TNT, dringende milieuproblemen ontrafeld

Onderzoekers vonden een nieuwe materiaalfase tijdens transities. Ze ontdekten dat laserpulsen veranderingen veroorzaakten op atomair niveau, wat resulteerde in een "niet-evenwichts" transitie. Deze ontdekking is cruciaal voor gebieden zoals computertechnologie, waar materialen zowel stabiel moeten blijven onder verschillende omstandigheden als betrouwbaar van fase moeten kunnen wisselen wanneer nodig.

De onderzoekers gebruikten een laser om atomen te raken, wat veranderingen in het hele materiaal veroorzaakte. Deze veranderingen leidden tot een tijdelijke, chaotische toestand die slechts van korte duur was. De onderzoekers denken dat dit zou kunnen betekenen dat er een stabiel materiaal in de buurt is dat nog niet is ontdekt.

Onderzoekers van onder andere Columbia University en Argonne National Laboratory hebben samen de succesvolle toepassing van de PDF-techniek bij XFEL's mogelijk gemaakt. Door zorgvuldig de beste bundellijnen te selecteren voor hun experimenten, bereikten ze hun doelstellingen via gezamenlijke inspanningen.

Deze nieuwe PDF-methode onthult hoe atomen zich bewegen en hoe materialen van fase veranderen. Dit kan leiden tot verbeteringen in computermaterialen, supergeleiders en energieopslag. Toekomstig onderzoek zal zich richten op verschillende faseveranderingen in diverse kwantummaterialen.

Naarmate LCLS overgaat naar LCLS-II-HE, verwacht het team nog gedetailleerdere studies uit te voeren. Dit zal de techniek gangbaar maken in de materiaalkunde. De resultaten zullen niet alleen bestaande problemen oplossen maar ook nieuwe mogelijkheden creëren voor onderzoek en toepassingen.