Teadlased saavad otseselt vaadata, kuidas elektronid "tantsivad" vibreerivate aatomitega

WIFI - milleks praadida? (Juuni 2019).

Anonim

Energeetikaministeeriumi SLAC National Accelerator Laboratory ja Stanfordi ülikooli teadlased on teinud esimesed otsesed mõõtmised ja kõige täpsemad, kuidas elektronid liiguvad sünkroonselt eksootilise materjaliga rippuvate aatomi vibratsioonidega, nagu oleksid nad tantsinud sama võita

Vibratsioonid nimetatakse fonoonideks ja teadlaste elektron-foononite sidumine oli 10 korda tugevam kui teooria oli ennustanud, muutes selle piisavalt tugevaks, et potentsiaalselt võiks mängida rolli ebaadekvaatse ülijuhtivusel, mis võimaldab materjalidel elektrit juhtida, ilma et kaoks ootamatult kõrgel temperatuuril.

Veelgi enam, nende väljatöötatud lähenemine annab teadlastele täiesti uue ja otsese võimaluse uurida paljusid "tekkivaid" materjale, mille ületavad omadused ilmnevad põhiliste osakeste kollektiivsetest käitumistest, nagu elektronid. Uus lähenemisviis uurib neid materjale eksperimentide abil, mitte tugineda teoreetilistele eeldustele.

Katsed viidi läbi SLACi Linac Coherent Light Allikas (LCLS) röntgen-vabade elektronide laseriga ja Stanfordi ülikoolilinnakuga nn-resolutsiooniga fotoemissioon-spektroskoopia (ARPES) tehnikaga. Uurijad kirjeldasid täna uurimust "Teadus".

Läbilöögipõhine lähenemisviis

"Usun, et sellel tulemusel on mitu mõju, " ütles Chicago Molekulaartehnoloogia Instituudi professor Giulia Galli ja DOE Argonne National Laboratory vanemteadur, kes ei osalenud uuringus.

"Loomulikult on nad rakendanud meetodit väga oluliseks materjaliks, millest igaüks on püüdnud välja mõelda ja mõista, ja see on suurepärane, " ütles ta. "Kuid tõsiasi, et nad näitavad, et nad suudavad mõõta elektron-foononide koostoimet, mis on nii paljude materjalide ja füüsikaliste protsesside puhul nii oluline, on see minu arvates läbimurre, mis sillutab teed paljudele teistele eksperimentidele paljude teiste jaoks materjalid. "

Ta lisas, et võime teha seda mõõtmist võimaldavad teadlastel kontrollida teooriaid ja arvutusi, mis kirjeldavad ja prognoosivad nende materjalide füüsikat viisil, mida nad kunagi varem ei suutnud.

"Need täpsusmõõtmised annavad meile põhjaliku ülevaate sellest, kuidas need materjalid käituvad, " ütles SLAC ja Stanfordi professor Zhi-Xun Shen ning uurimust juhtiv Stanfordi materjali- ja energeetikateaduste instituut (SIMES) uurija.

Erakordselt täpsed "filmid"

Meeskond kasutas SLAC-i LCLS aatomi vibratsiooni mõõtmiseks ja ARPES, et mõõta elektronide energiat ja hoogu materjalis, mida nimetatakse raud-seleniidiks. Kaks tehnikat kombineerides võimaldasid neil jälgida elektronfononi sidumist erakordselt täpselt femto-sekundite möödudes miljondikümne sekundi pikkuse ajaga - ja umbes ühe miljardikku juuste laiusest.

"Me võime luua" filmi ", kasutades kahe kaamera ekvivalentahendust, et salvestada aatomirõhk ja elektronide liikumine ning näidata, et nad samal ajal vibreerivad, nagu kaks teineteise peale kalduvat laine, " ütles kaasautor Shuolong Yang, Cornelli ülikooli doktorikraad.

"See ei ole filmi tavapärasest piltidest, mida saate ekraanil vaadata, " ütles ta. "Kuid see katab foononide ja elektronide liikumised kaadrites 100 triljonit korda sekundis ja me saame nendega kokku panna umbes 100, nagu filmifailid, et saada täielik pilt sellest, kuidas need on seotud."

Nende uuritud raudne seleniid on uudishimulik materjal. Tuntud on elektrit juhtida kaotamata, kuid ainult väga külmades temperatuurides ja viisil, mida ei saa täielikult seletada olemasolevate teooriatega; sellepärast nimetatakse seda tavatuks ülijuhiks.

Intrigeeriva vihje tegemine

Kuid viis aastat tagasi teatas Hiina uurimisrühmas intrigeeriva tähelepaneku: kui aatomiaalselt õhuke kiht raudne seleniid pannakse teise materjali, mida nimetatakse STO nimeks selle esmaste koostisosade, strontsiumi, titaani ja hapniku peale, hüpatakse selle maksimaalne ülijuhtiv temperatuur 8 kraadi 60 kraadi võrra suurem absoluutne null või miinus 213 kraadi. Kuigi see on endiselt väga külm, on see palju kõrgem kui teadlaste arvates oodata ja see kuulub n-ö "kõrgtemperatuuri ülijuhtide" tööpiirkonda, mille avastamine 1986. aastal tõi välja uurimishäiret, sest nende suurepärase revolutsioonilise mõju tõttu ühiskonnale võiksid olla tõhusad elektrilised saatjad.

Selle tõekspidamise järel uuris Shen grupp sama materjalide kombinatsiooni ARPESiga. Aasta 2014. aasta paberil looduses jõudsid nad järeldusele, et STO aatomi vibratsioon liigub raua seleniidiks ja annab elektronidele täiendava energia, mida neil on vaja paarida ja viia elektrienergiaga nullkahjustusega kõrgematel temperatuuridel kui need, mida nad ise kasutavad.

See näitas, et teadlastel oleks võimalik saavutada veelgi kõrgemaid maksimaalseid ülijuhtivaid temperatuure, muutes samal ajal samaaegselt mitmeid muutujaid, nagu substraadi olemus ülijuhtiva kile all.

Kuid kas selline aatomirõhkide sidumine ja ühine elektronide käitumine toimub ka raudseleeniidis ilma substraadita? Selle uurimise eesmärk oli teada saada.

Nagu ka Hammeri abil koputades

Shen meeskond tegi paksemat, aatomiliselt ühtlast rauda seleniidikihi ja tabas selle infrapuna laserkiirga abil, et ergutada oma 5-triljoni korda sekundis aatomimudratsioone, nagu õrnalt koputades kella väikese vasaraga, SLAC-i personali teadlane ja kaasautor Ütles Patrick Kirchmann. See sai vibratsioonide kogu filmi ajal omavahel sünkroonima, nii et neid oleks kergem jälgida.

Seejärel meeskond mõõtis materjali aatomi vibratsiooni ja elektronide käitumist kahes eraldi katses. Yang, kes oli samal ajal Stanfordi kraadiõppur, viis ARPESi mõõtmiseni. Sheni grupi doktoranõunik Simon Gerber juhtis SLACi mõõtmisi SLAC-is; Ta on alates Šveitsi FEL-i ühinemisest Šveitsi Fondi Paul Scherreri Instituudis töötava teadlasega.

Uus uuring ei tõenda, et aatomienergia ja elektrooniliste vibreerimiste seostamine oli tingitud raudseleeniidi ülijuhtivuse temperatuuri suurendamisest varasemates uuringutes, ütles Kirchmann. Kuid röntgen-laser ja ARPES-i vaatluste kombinatsioon peaks andma uusi ja keerukamaid ülevaate materiaalsete süsteemide füüsikast, kus samal ajal mängitakse mitu tegurit, ja loodetavasti liigutage välja kiiremini.

menu
menu