Onderzoekers hebben achter het gordijn van de ultrasnelle faseovergang van vanadiumdioxide gegluurd en ontdekten dat de atomaire theatrics veel gecompliceerder zijn dan ze dachten. Het is een materiaal dat wetenschappers al tientallen jaren fascineert vanwege het vermogen om te veranderen van een elektrische isolator naar een geleider.

De studie, die op 2 november in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , is een samenwerking tussen onderzoekers van Duke University, het SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford, het Barcelona Instituut voor Wetenschap en Technologie, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Vanadiumdioxide is al meer dan vijf decennia intensief bestudeerd door onderzoekers vanwege het ongebruikelijke vermogen om van isolator naar geleider over te schakelen bij de gemakkelijk bereikbare temperatuur van 152 graden Fahrenheit. Terwijl andere materialen ook in staat zijn tot deze overgang, de meeste komen ver onder kamertemperatuur voor, waardoor vanadiumdioxide een betere optie is voor praktische toepassingen.

Recenter, materiaalwetenschappers hebben onderzocht hoe dezelfde faseovergang plaatsvindt wanneer de atomaire structuur van het materiaal wordt geëxciteerd door een extreem korte, ultrasnelle laserpuls. Wat het fenomeen zo uitdagend maakt om te bestuderen, is de opmerkelijke snelheid waarmee het gebeurt - ongeveer 100 femtoseconden. Dat is een tiende van een miljoenste van een miljoenste van een seconde.

De ultraheldere röntgenpulsen bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), echter, zijn nog sneller.

Door de elektrische faseovergang van vanadiumdioxide te activeren met een femtoseconde laser en vervolgens de atomen te pingen met röntgenpulsen van slechts tientallen femtoseconden lang, onderzoekers konden de overgang voor het eerst volledig in detail bekijken. Ze vonden dat, in plaats van over te gaan van de ene atomaire structuur naar de andere in een directe, manier van samenwerken, de vanadiumatomen kwamen op hun bestemming aan via meer onvoorspelbare routes en onafhankelijk van elkaar.

"Er werd voorgesteld dat het materiaal van de ene kristallijne structuur naar de andere zou gaan door een deterministische, goed gedefinieerd schuifelen, " zei Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke en een van de leiders van de studie. "In plaats daarvan ontdekten we dat, zelfs binnen een enkele overgang, elk atoom doet zijn eigen ding, onafhankelijk van de anderen."

"De stoornis die we hebben gevonden is erg sterk, wat betekent dat we moeten heroverwegen hoe we al deze materialen bestuderen waarvan we dachten dat ze zich op een uniforme manier gedroegen, " zei Simon Wall, een universitair hoofddocent aan het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona en een van de leiders van de studie.

"Ze gaan niet soepel naar hun nieuwe posities zoals bandleden die over een veld marcheren; ze wankelen rond als feestgangers die een bar verlaten bij sluitingstijd, Wall zei. "Als ons uiteindelijke doel is om het gedrag van deze materialen te beheersen, zodat we ze heen en weer kunnen schakelen van de ene fase naar de andere, het is veel moeilijker om het dronken koor te beheersen dan de fanfare."

Om de betekenis van de experimentele waarnemingen te ontrafelen, Delaire's groep bij Duke leidde ook supercomputersimulaties van atomaire dynamica in het materiaal. De simulaties werden uitgevoerd op supercomputers in het National Energy Research Scientific Computing Center en de Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Het was verbijsterend toen mijn student Shan Yang me de resultaten liet zien van haar kwantumsimulaties van atoombewegingen, " vervolgde Delaire. "Het kwam bijna perfect overeen met de experimentele 'films' van opgenomen röntgenintensiteiten, zelfs zonder dat er instelbare parameters nodig zijn."

Eerdere studies hadden geen toegang tot de ruimtelijke en temporele resolutie van de LCLS, en kon alleen gemiddelden van het atomaire gedrag van het materiaal meten. Door deze beperkingen, ze konden het belang niet inzien van willekeurige afwijkingen van de gemiddelde bewegingen van vanadiumatomen.

Met de gevoeligheid van de LCLS echter, onderzoekers konden een veel duidelijker beeld krijgen van wat er aan de hand was.

"Het is een beetje zoals astronomen die de nachtelijke hemel bestuderen, " zei Delaire. "Eerdere studies konden alleen de helderste sterren zien die met het blote oog zichtbaar waren. Maar met de ultraheldere en ultrasnelle röntgenpulsen, we waren in staat om de zwakke en diffuse signalen van het Melkwegstelsel ertussen te zien."

Deze studie, en anderen vinden het leuk zijn de sleutel tot het begrijpen van het gedrag van foto-opgewonden materialen. Bijvoorbeeld, indien goed aangewend, de atomaire reactie van vanadiumdioxide die in deze studie werd onthuld, zou de basis kunnen vormen voor ultrasnelle transistors voor computers die fotonen en elektronen combineren. En onderzoekers gebruiken dit algemene concept ook bij het nastreven van de droom van supergeleiders bij kamertemperatuur.

"De nieuwe kennis die we hebben opgedaan in het proces van de foto-geïnduceerde overgang van isolator naar metaal in vanadiumdioxide zou direct relevant moeten zijn voor het opnieuw evalueren van ons begrip van andere materialen, " zei Delaire. "We zijn net begonnen met het verkennen van dit nieuwe rijk van het vermogen om het gedrag van materialen te beheersen door er licht op te laten schijnen, en het combineren van ultramoderne röntgenfaciliteiten met supercomputers om te volgen wat er gebeurt. En we ontdekken dat de betrokken atomaire dynamica nog ingewikkelder is dan we eerder hadden gedacht."