Veel mensen stellen zich elektrische geleidbaarheid voor als de stroom van geladen deeltjes (voornamelijk elektronen) zonder echt na te denken over de atomaire structuur van het materiaal waardoor die ladingen bewegen. Maar wetenschappers die 'sterk gecorreleerde elektronen'-materialen bestuderen, zoals supergeleiders bij hoge temperaturen en mensen met sterke reacties op magnetisme, weten dat die afbeelding veel te simplistisch is. Ze weten dat de atomen een cruciale rol spelen bij het bepalen van de eigenschappen van een materiaal.

Bijvoorbeeld, elektrische weerstand is een manifestatie van elektronen die van de atomen worden verstrooid. Minder duidelijk is het concept dat elektronen en atomen samen kunnen bewegen om de stroom van lading te stoppen - of, in het andere uiterste, elektronen vrij laten stromen zonder weerstand.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van natuurkundige Yimei Zhu van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft definitief bewijs geleverd dat de beweging van elektronen een direct effect heeft op atomaire rangschikkingen, het veroorzaken van vervormingen in het 3D-kristallijne rooster van een materiaal op manieren die de stroomstroom drastisch kunnen veranderen. Het vinden van bewijs voor deze sterke elektron-roosterinteracties, bekend als polaronen, benadrukt de noodzaak om hun impact op complexe fenomenen zoals supergeleiding (het vermogen van sommige materialen om stroom te voeren zonder energieverlies) en andere veelbelovende eigenschappen te kwantificeren.

Zoals beschreven in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in het partnertijdschrift Nature npj Quantum Materialen , het team ontwikkelde een "ultrasnelle elektronendiffractie" -systeem - een nieuwe lasergestuurde beeldvormingstechniek en de eerste in zijn soort ter wereld - om de subtiele roostervervormingen op atomaire schaal vast te leggen. De methode heeft een brede potentiële toepassing voor het bestuderen van andere dynamische processen.

"De techniek is vergelijkbaar met het gebruik van stroboscopische fotografie om de baan van een bal te onthullen, "zei Zhu. "Door verschillende vertragingen te gebruiken tussen het gooien van de bal en het maken van de foto, je kunt de dynamische actie vastleggen, " hij zei.

Maar om dynamiek op atomaire schaal af te beelden, je hebt een veel snellere flits nodig en een manier om objecten op subatomaire schaal in beweging te brengen.

De machine ontwikkeld door het Brookhaven-team gebruikt een laserpuls om elektronen in een monstermateriaal een "kick" van energie te geven. Tegelijkertijd, een tweede laser die van de eerste is gesplitst, genereert zeer snelle uitbarstingen van hoogenergetische (2,8 mega-elektron-volt) elektronen om het monster te onderzoeken. De elektronen waaruit deze "flitsen" van 130 femtoseconden bestaan ​​- die elk slechts 0. 00000000000013 seconden duren - verstrooien het monster en creëren diffractiepatronen die de posities van de atomen onthullen. Door de tijdsvertraging tussen de puls en de sonde te variëren, de wetenschappers kunnen de subtiele verschuivingen in atomaire rangschikkingen vastleggen terwijl het rooster reageert op de "opgesprongen" elektronen.

"Dit is vergelijkbaar met röntgendiffractie, maar door elektronen te gebruiken krijgen we een veel groter signaal, en de hoge energie van de sonde-elektronen geeft ons betere toegang tot het meten van de precieze beweging van atomen, "zei Zhu. Bovendien, zijn microscoop kan worden gebouwd voor een fractie van wat het zou kosten om een ​​ultrasnelle röntgenlichtbron te bouwen. "Dit is een 'zelfgebouwde' machine."

Belangrijkste bevindingen

De wetenschappers gebruikten deze techniek om de elektron-roosterinteracties in een mangaanoxide te bestuderen, een materiaal dat al lang van belang is vanwege de enorme mate waarin de geleidbaarheid kan worden beïnvloed door de aanwezigheid van een magnetisch veld. Ze ontdekten een veelbetekenende handtekening van elektronen die interageren met en de vorm van het atomaire rooster veranderen, namelijk, een "ontspanning" in twee stappen die wordt vertoond door de omhooggesprongen elektronen en hun omringende atomen.

Bij een normale eenstapsontspanning, elektronen die door een uitbarsting van energie van de ene atomaire locatie naar de andere worden geschopt, passen hun "vorm" snel aan de nieuwe omgeving aan.

"Maar in sterk gecorreleerde materialen, de elektronen worden afgeremd door interacties met andere elektronen en interacties met het rooster, " zei Weiguo Yin, een andere natuurkundige uit Brookhaven die aan het onderzoek werkte. "Het is als een verkeersopstopping met veel auto's die langzamer rijden."

In feite reageren de negatief geladen elektronen en positief geladen atoomkernen op elkaar op een manier die ervoor zorgt dat elk probeert de "vorm" van de ander te accommoderen. Dus een langwerpige elektronenwolk, bij het betreden van een symmetrische atomaire ruimte, begint een meer bolvorm aan te nemen, ondertussen op het zelfde moment, de atomen waaruit het rooster bestaat, verschuif van positie om te proberen de langwerpige elektronenwolk te accommoderen. In de tweede stap, dit tussendoor, duw me, pull-you-arrangement ontspant geleidelijk aan tot wat zou worden verwacht in een een-staps-relaxatie.

"Dit gedrag in twee stappen, die we kunnen zien met onze ultrasnelle elektronendiffractie, is het bewijs dat de roostertrillingen tijdig in wisselwerking staan ​​met de elektronen. Ze zijn het bewijs dat polarons bestaan, ' zei Yin.

De bevinding geeft inzicht in hoe de roosterrespons helpt bij het genereren van de enorme afname van de elektrische weerstand die manganieten ervaren in een magnetisch veld - een effect dat bekend staat als kolossale magnetoweerstand.

"De vormen van de elektronenwolk zijn gekoppeld aan de magnetische eigenschappen van de elektronen, " legde Yin uit. "Als de magnetische momenten van de elektronen zijn uitgelijnd in een magnetisch veld, de vorm van de elektronenwolk en de atomaire rangschikking worden symmetrischer en homogener. Zonder de noodzaak om de push-me te spelen, trek-je spel, elektrische ladingen kunnen gemakkelijker stromen."

Dit werk laat zien dat een ultrasnelle laser snel elektronische, magnetisch, en roosterdynamica in sterk gecorreleerde elektronenmaterialen - een benadering die zou kunnen resulteren in veelbelovende nieuwe technische toepassingen, zoals ultrasnel geheugen of andere elektronische apparaten met hoge snelheid.

"Onze methode kan worden gebruikt om deze dynamische interacties beter te begrijpen, en suggereert dat het ook nuttig zal zijn voor het bestuderen van andere dynamische processen om verborgen toestanden en ander exotisch materiaalgedrag te ontdekken, " zei Zhu.