Als je snel de pagina's van een flipbook omslaat, de reeks statische beelden zien eruit alsof ze bewegen. Wetenschappers hebben onlangs een soortgelijk principe toegepast om vast te leggen hoe de structuur van een materiaal verandert over extreem korte tijdschalen - slechts biljoensten van een seconde of sneller. Om deze beweging op atomaire schaal vast te leggen, ze hadden een speciaal instrument nodig dat gehuisvest was in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

"Dit ultrasnelle elektronendiffractie-instrument, die elektronenbundels heeft met een energie van een miljoen elektronvolt, is in eigen huis ontworpen en gemaakt, " zei Jing Tao, een natuurkundige in de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Lab en corresponderende auteur op de Technische Natuurkunde Brieven papier waarop het werk wordt vermeld. "We hebben samengewerkt met de Accelerator Test Facility van het Lab om ervoor te zorgen dat temperatuur, vochtigheid, en andere omgevingsomstandigheden stabiel bleven en dat het instrument goed was uitgelijnd."

De hedendaagse elektronenmicroscopen kunnen afzonderlijke atomen oplossen, maar meestal alleen bij belichtingstijden in de orde van seconden. Echter, atomen bewegen veel sneller dan dat.

"We kijken naar structurele dynamiek die plaatsvindt binnen honderden femtoseconden tot enkele picoseconden, " zei eerste auteur Junjie Li, een fysicus in de CMPMS-afdeling. "Als referentie, een femtoseconde is gelijk aan een quadriljoenste van een seconde."

In dit onderzoek, de wetenschappers onderzochten de structuur van kopersulfide-nanokristallen. Boven een bepaalde temperatuur, kopersulfide ondergaat een overgang waarbij de kristalstructuur verandert van een fase met lage symmetrie naar een fase met hoge symmetrie. Tijdens deze faseovergang zijn koperionen worden zeer mobiel, waardoor het een veelbelovend materiaal wordt voor elektrochemische en thermo-elektrische apparaten van de volgende generatie, zoals batterijen en elektrische schakelaars.

"Alle materiaaleigenschappen hebben een structurele oorsprong, " zei Tao. "Het identificeren en begrijpen van het mechanisme dat de structuur van een materiaal aandrijft, is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties voor toepassingen in de echte wereld."

De optimale eigenschappen van materialen komen vaak naar voren bij faseovergangen met gelijktijdige veranderingen in kristalsymmetrie, elektronische structuur, en magnetische gevoeligheid, waardoor het moeilijk is om de primaire kracht te bepalen die de overgang aandrijft. Eerdere experimenten uitgevoerd door andere groepen toonden aan dat de structurele faseovergang in kopersulfide werd veroorzaakt door een diffusie van koperionen. Vervolgens, het Brookhaven-team ontdekte dat het voortdurend verhogen of verlagen van het aantal elektronen dat in de loop van de tijd in het materiaal werd gepompt, ervoor zorgde dat de kristalstructuur bij kamertemperatuur oscilleerde tussen de fasen met lage en hoge symmetrie.

"We waren verrast toen we ontdekten dat een minimale verandering in de elektronendosissnelheid een enorme collectieve beweging van de koperionen teweegbrengt, omdat het aantoonde dat de structurele faseovergang op de een of andere manier verband houdt met elektronische manipulatie, " zei Tao. "We wisten dat er een intrinsieke relatie moest zijn, maar had geen bewijs. De femtoseconde tijdresolutie van ons instrument maakte het voor ons mogelijk om te zien hoe de beweging van de koperionen gecorreleerd is met veranderingen in de elektronische structuur."

Om de structurele transitie in gang te zetten, de wetenschappers "pompten" het materiaal met laserpulsen, het in zijn opgewonden energietoestand brengen. Na goed gecontroleerde vertragingen, ze stuurden vervolgens elektronenpulsen door het monster en registreerden de manier waarop de elektronen werden verstrooid. De resulterende elektronendiffractiepatronen onthulden de kristalstructuur van het materiaal op de exacte momenten dat de elektronenbundel ermee in wisselwerking stond. Door deze structurele "snapshots" te combineren, genomen met verschillende tijdsvertragingen tussen de laser- en elektronenpulsen, ze produceerden een film die de manier vastlegde waarop de structuur evolueert van het begin tot het einde van de faseovergang.

Bij het analyseren van de elektronendiffractiesignaturen, Li was geschokt toen hij ontdekte dat de structurele faseovergang twee afzonderlijke processen omvatte die op zeer verschillende tijdschalen plaatsvonden.

"Ik ontdekte dat de kristalsymmetrie, of hoe de ionen zich rangschikken, breekt in twee picoseconden, en het volume van het kristalrooster breidt zich uit van 10 tot 20 picoseconden, " zei Li. "Tot nu toe, wetenschappers hadden gedacht dat de symmetrie en het volume tegelijkertijd veranderden. Vanwege onvoldoende tijdsresolutie, ze konden slechts één momentopname maken aan het begin van de overgang en een andere aan het einde en legden dus niet vast wat er tussenin gebeurde."

Het blijkt dat de tijdschaal van de kristalsymmetrieverandering samenvalt met die van een ander proces:elektronische dragerrelaxatie, of de beweging van elektronen van een geëxciteerde energietoestand (geïnduceerd door de laserexcitatie) naar de grondtoestand. Gezien dit toeval, het Brookhaven-team is van mening dat interacties tussen de elektronen en atomen die in het rooster (fononen) trillen, achter de kristalsymmetrie-overgang kunnen zitten.

"Het feit dat beide processen op twee picoseconden plaatsvinden, suggereert sterk dat elektron-fononkoppeling de overgang regelt, " zei Li. "Wetenschappers denken dat elektron-fononkoppeling een zeer belangrijke rol speelt in veel sterk gecorreleerde en kwantummaterialen met opkomende eigenschappen, bijvoorbeeld, supergeleiders, die zonder weerstand elektriciteit kan transporteren, en multiferroica, die spontane magnetische en elektrische polarisaties vertonen. Maar dit mechanisme wordt nog steeds niet helemaal begrepen, zelfs na tientallen jaren van onderzoek."

Nu de wetenschappers de juiste apparatuur hebben om ultrasnelle structurele dynamiek vast te leggen, ze hopen de oorsprong van faseovergangen in andere materialen te vinden.

"De wetenschappelijke gemeenschap nam als vanzelfsprekend aan dat het breken van kristalsymmetrie en roosteruitbreiding samen voorkomen, "zei Tao. "Het vermogen om deze processen te scheiden is een doorbraak die ons zal helpen de relatie tussen structuur en eigenschap in een breed scala aan materialen te begrijpen."