Burada bir kar tanesi olarak sanatsal bir şekilde temsil edilen eriyen bir kristal kafes, tutarlı X-ışını saçılma modelinin üzerine bindirilmiştir. Kredi: ICFO/ Patricia Bondia
Kuantum malzemelerde geçici fazlar oluşturmak için ışığı kullanmak, süperiletkenlik veya nano ölçekli topolojik kusurlar gibi yeni özellikler tasarlamak için yeni bir yöntemdir, ancak katılarda bu fazların büyümesini görselleştirmek Sürece dahil olan çok çeşitli uzamsal ve zaman ölçekleri nedeniyle zorlu.
Bilim adamları, kuantum malzemelerdeki ışığın neden olduğu faz geçişlerini nano ölçekli dinamiklerle açıkladılar, ancak gerçek uzay görüntüleri üretmenin zor olduğu ortaya çıktı ve bu da hiç kimseye yol açmadı.
Nature Physics’te yayınlanan yeni çalışmada, eski ICFO Prof. Simon Wall liderliğindeki ICFO araştırmacıları Allan S. Johnson ve Daniel Pérez-Salinas, Sogang’daki Aarhus Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla işbirliği içinde Üniversite, Vanderbilt Üniversitesi, Max Born Enstitüsü, Elmas Işık Kaynağı, ALBA Synchrotron, Utrecht Üniversitesi ve Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarı, yeni bir görüntüleme yönteminin öncülüğünü yaptı. yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlüğe sahip vanadyum oksitte (VO2) ışık kaynaklı faz geçişi.
Araştırmacılar tarafından uygulanan yeni teknik, serbest bir elektron lazerinde tutarlı X-ışını hiperspektral görüntülemeye dayalıdır ve bu da onlara olanak sağlamıştır. bu çok iyi bilinen kuantum malzemedeki yalıtkandan metale faz geçişini nano ölçekte görselleştirmek ve daha iyi anlamak için.
Geçici fazların nano ölçekli X-Ray spektroskopisi Güçlü bir lazer darbesi t=0’da onları uyardığında birkaç yüz nanometre büyüklüğündeki yalıtıcı alanların metalik faza geçtiği nano ölçekte VO2’de ışıkla indüklenen faz geçişinin ultra hızlı bir videosu. Kredi: ICFO / Allan Johnson
Kristal VO2, ışık kaynaklı faz geçişlerinin incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Katı-katı geçişi, zamana bağlı X-ışını kırınımı ile izlenen ilk malzemeydi ve elektronik yapısı, ilk kez ultra hızlı X-ışını soğurma teknikleri kullanılarak incelendi. Oda sıcaklığında VO2 yalıtkan fazdadır. Bununla birlikte, malzemeye ışık uygulanırsa vanadyum iyon çiftlerinin dimerlerini kırmak ve yalıtkan bir fazdan metalik bir faza geçişi sağlamak mümkündür.
Yaptıkları deneyde, hazırlanan çalışmanın yazarları görüş alanını tanımlamak için altın maskeli ince VO2 örnekleri. Daha sonra numuneler, ultra hızlı bir X-ışını lazer darbesi ile incelenmeden önce, bir optik lazer darbesinin geçici fazı indüklediği Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarındaki X-ışını Serbest Elektron Lazer tesisine alındı. Dağınık X-ışınlarını bir kamera yakaladı ve tutarlı saçılma modelleri, iki farklı yaklaşım kullanılarak görüntülere dönüştürüldü: Fourier Transform Holography (FTH) ve Coherent Diffractive Imaging (CDI). 150 femtosaniye zaman çözünürlüğü ve 50 nm uzamsal çözünürlüğün yanı sıra tam hiperspektral bilgi ile sürecin bir filmini oluşturmak için çeşitli zaman gecikmelerinde ve X-ışını dalga boylarında görüntüler çekildi.
Şaşırtıcı rolü baskı
Yeni metodoloji, araştırmacıların VO2’deki aşama geçişinin dinamiklerini daha iyi anlamasını sağladı. Basıncın, ışığın neden olduğu faz geçişlerinde daha önce beklenenden veya varsayıldığından çok daha büyük bir rol oynadığını buldular.
“Geçici fazların insanların düşündüğü kadar egzotik olmadığını gördük! Gerçekten denge dışı bir aşama yerine, gördüğümüz şey, ultra hızlı geçişin doğası gereği numunede atmosferik basınçtan milyonlarca kat daha yüksek dev iç basınçlara yol açtığı gerçeğiyle yanıltılmış olmamızdı. ICFO’da doktora sonrası araştırmacı olan Allan Johnson, “Bu basınç, malzeme özelliklerini değiştirir ve gevşemesi zaman alır, bu da geçici bir aşama varmış gibi görünmesini sağlar” diyor. “Görüntüleme yöntemimizi kullanarak, en azından bu durumda, gördüğümüz pikosaniye dinamikleri ile herhangi bir nano ölçekli değişiklik veya egzotik aşama arasında hiçbir bağlantı olmadığını gördük. Dolayısıyla, bu sonuçların bazılarının yeniden gözden geçirilmesi gerekecek gibi görünüyor”.
Süreçte baskının oynadığı rolü belirlemek için hiperspektral görüntüyü kullanmak çok önemliydi. Johnson, “Görüntüleme ve spektroskopiyi tek bir harika görüntüde birleştirerek, ayrıntılı özellikleri gerçekten görmemize ve tam olarak nereden geldiklerini deşifre etmemize izin veren çok daha fazla bilgiyi elde edebiliyoruz” diye devam ediyor Johnson. “Bu, kristalimizin her bir parçasına bakmak ve bunun normal mi yoksa egzotik bir denge dışı faz mı olduğunu belirlemek için çok önemliydi ve bu bilgiyle, faz geçişleri sırasında kristalimizin tüm bölgelerinin olduğunu belirleyebildik. baskı dışında aynı.”
Zorlu araştırma
Araştırmacıların deney sırasında karşılaştıkları temel zorluklardan biri, kristal VO2 örneğinin her seferinde orijinal başlangıç aşamasına geri dönmesini sağlamaktı. zaman ve lazer tarafından aydınlatıldıktan sonra. Bunun olacağını garanti etmek için senkrotronlarda ön deneyler yaptılar ve burada birkaç kristal örneği aldılar ve orijinal hallerine geri dönme kapasitelerini test etmek için üzerlerine tekrar tekrar lazer tuttular.
İkinci zorluk, X-Ray serbest elektron lazerine, deneyleri yürütmek için zaman pencerelerinin çok rekabetçi olduğu ve talep edildiği büyük araştırma tesislerine erişim, çünkü dünyada sadece birkaç tane var. Johnson, “Deneyin işe yaraması için yalnızca beş günlük tek aşımızı yapmadan önce COVID-19 kısıtlamaları nedeniyle Güney Kore’de iki hafta karantinada kalmak zorunda kaldık, bu yüzden yoğun bir dönemdi” diye hatırlıyor Johnson.
{6 }Araştırmacılar mevcut çalışmayı temel araştırma olarak tanımlasalar da, bu tekniğin potansiyel uygulamaları, “katalitik malzemelerin içinde hareket eden polaronlara bakabilecekleri, süperiletkenliğin kendisini görüntülemeyi deneyebilecekleri ve hatta görüntüleme ve görüntüleme yoluyla yeni nanoteknolojileri anlamamıza yardımcı olabilecekleri” için çeşitli olabilir. nano ölçekli cihazların içinde” sözlerini sonlandırıyor Johnson.
Referans: “VO2’de ışık kaynaklı faz geçişinin ultra hızlı X-ray görüntülemesi”, yazan Allan S. Johnson, Daniel Perez-Salinas, Khalid M. Siddiqui, Sungwon Kim, Sungwook Choi, Klara Volckaert, Paulina E. Majchrzak, Søren Ulstrup, Naman Agarwal, Kent Hallman, Richard F. Haglund Jr, Christian M. Günther, Bastian Pfau, Stefan Eisebitt, Dirk Backes, Francesco Maccherozzi, Ann Fitzpatrick, Sarnjeet S. Dhesi , Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Nongnuch Artrith, Frank de Groot, Hyeongi Choi, Dogeun Jang, Abhishek Katoch, Soonnam Kwon, Sang Han Park, Hyunjung Kim ve Simon E. Wall, 22 Aralık 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01848-w