Als je een materiaal raakt met laserlicht, stromen trillingen door het rooster van atomen, en kan tegelijkertijd het rooster in een nieuwe configuratie duwen met potentieel nuttige eigenschappen - een isolator in een metaal veranderen, bijvoorbeeld.

Tot nu, wetenschappers gingen ervan uit dat dit allemaal in een soepele, gecoördineerde manier. Maar twee nieuwe onderzoeken tonen aan dat dit niet het geval is:als je verder kijkt dan de gemiddelde respons van atomen en trillingen om te zien wat ze afzonderlijk doen, het antwoord, ze vonden, wanordelijk is.

Atomen bewegen niet soepel naar hun nieuwe posities, als bandleden die door een veld marcheren; ze wankelen rond als feestgangers die bij sluitingstijd een bar verlaten.

En door laser geactiveerde trillingen sterven niet zomaar uit; ze veroorzaken kleinere trillingen die nog kleinere teweegbrengen, verspreiden hun energie in de vorm van warmte, als een rivier die zich vertakt in een complex netwerk van stromen en beekjes.

Dit onvoorspelbare gedrag op kleine schaal, voor het eerst gemeten met een nieuwe röntgenlasertechniek in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, zal voortaan rekening moeten houden bij het bestuderen en ontwerpen van nieuwe materialen, zeiden de onderzoekers - vooral kwantummaterialen met mogelijke toepassingen in sensoren, slimme ramen, energieopslag en -conversie en superefficiënte elektrische geleiders.

Twee aparte internationale teams, inclusief onderzoekers van SLAC en Stanford University die de techniek ontwikkelden, rapporteerden de resultaten van hun experimenten op 20 september in Fysieke beoordelingsbrieven en vandaag binnen Wetenschap .

"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 drie leiders van de studie rapporteerde in Wetenschap . "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."

De waas opheffen

De klassieke manier om de atomaire structuur van een molecuul te bepalen, hetzij uit een door de mens gemaakt materiaal of een menselijke cel, is om het te raken met röntgenstralen, die weerkaatsen en zich verspreiden in een detector. Hierdoor ontstaat een patroon van heldere stippen, Bragg-pieken genoemd, die kan worden gebruikt om te reconstrueren hoe de atomen zijn gerangschikt.

SLAC's Linac coherente lichtbron (LCLS), met zijn superheldere en ultrasnelle röntgenlaserpulsen, heeft wetenschappers in staat gesteld om atomaire structuren in steeds meer detail te bepalen. Ze kunnen zelfs razendsnelle snapshots maken van het verbreken van chemische bindingen, bijvoorbeeld, en rijg ze aan elkaar om 'moleculaire films' te maken.

Ongeveer een tiental jaar geleden, David Reis, een professor aan SLAC en Stanford en onderzoeker aan het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), vroeg zich af of een vage waas tussen de heldere vlekken in de detector – 10, 000 keer zwakker dan die lichtpuntjes, en beschouwd als alleen achtergrondgeluid - kan ook belangrijke informatie bevatten over snelle veranderingen in materialen veroorzaakt door laserpulsen.

Samen met SIMES-wetenschapper Mariano Trigo ontwikkelde hij een techniek genaamd "ultrasnelle diffuse verstrooiing" die informatie uit de waas haalt om een ​​vollediger beeld te krijgen van wat er gebeurt en wanneer.

De twee nieuwe onderzoeken vertegenwoordigen de eerste keer dat de techniek is gebruikt om details te observeren over hoe energie dissipeert in materialen en hoe licht een overgang van één fase veroorzaakt, of staat, van een materiaal naar een ander, zei Reis, die samen met Trigo co-auteur is van beide artikelen. Deze reacties zijn zowel interessant voor het begrijpen van de basisfysica van materialen als voor het ontwikkelen van toepassingen die licht gebruiken om de eigenschappen van materialen aan en uit te zetten of om warmte om te zetten in elektriciteit, bijvoorbeeld.

"Het is een beetje zoals astronomen die de nachtelijke hemel bestuderen, " zei Olivier Delaire, een universitair hoofddocent aan de Duke University die hielp bij het leiden van een van de onderzoeken. "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."

Kleine belletjes en pianosnaren

In de studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Reis en Trigo leidden een team dat onderzoek deed naar trillingen, fononen genaamd, die het atoomrooster laten rammelen en warmte door een materiaal verspreiden.

De onderzoekers wisten dat de fononen die door laserpulsen worden geactiveerd, vervallen, het vrijgeven van hun energie door het atoomrooster. Maar waar gaat al die energie heen? Theoretici stelden voor dat elke fonon andere moet activeren, kleinere fononen, die trillen bij hogere frequenties en moeilijker te detecteren en te meten zijn, maar deze waren nog nooit in een experiment gezien.

Om dit proces bij LCLS te bestuderen, het team raakte een dunne film van bismut met een puls van optisch laserlicht om fononen te doen ontbranden, ongeveer 50 quadriljoenste van een seconde later gevolgd door een röntgenlaserpuls om vast te leggen hoe de fononen evolueerden. De experimenten werden geleid door promovendus Tom Henighan en postdoctoraal onderzoeker Samuel Teitelbaum van het Stanford PULSE Institute.

Voor de eerste keer, Trigo zei, ze waren in staat om te observeren en te meten hoe de initiële fononen hun energie over een groter gebied verdeelden door kleinere trillingen teweeg te brengen. Elk van die kleine trillingen kwam voort uit een apart stukje atomen, en de grootte van de patch - of deze 7 atomen bevatte, of 9, of 20 – bepaalde de frequentie van de trilling. Het leek veel op hoe het luiden van een grote bel kleinere bellen in de buurt doet rinkelen, of hoe het tokkelen van een pianosnaar andere snaren doet neuriën.

"Dit is iets waar we jaren op hebben gewacht om te kunnen doen, dus we waren enthousiast, Reis zei. "Het is een meting van iets dat absoluut fundamenteel is voor de moderne vastestoffysica, voor alles, van hoe warmte in materialen stroomt tot zelfs, in principe, hoe door licht geïnduceerde supergeleiding ontstaat, en het was niet mogelijk geweest zonder een röntgenvrije-elektronenlaser zoals LCLS."

Een wanordelijke mars

Het artikel in Science beschrijft LCLS-experimenten met vanadiumdioxide, een goed bestudeerd materiaal dat in slechts 100 quadriljoensten van een seconde kan veranderen van een isolator in een elektrische geleider.

Onderzoekers wisten al hoe ze deze schakelaar konden activeren met zeer korte, ultrasnelle pulsen van laserlicht. Maar tot nu toe konden ze alleen de gemiddelde respons van de atomen waarnemen, die op een ordelijke manier in hun nieuwe posities leken te schuifelen, zei Delaire, die samen met Wall en Trigo de studie leidde.

De nieuwe ronde van diffuse verstrooiingsexperimenten bij LCLS toonde anders aan. Door het vanadiumdioxide te raken met een optische laser met precies de juiste energie, de onderzoekers waren in staat om een ​​substantiële herschikking van de vanadiumatomen teweeg te brengen. Ze deden dit meer dan 100 keer per seconde terwijl ze de bewegingen van individuele atomen opnamen met de LCLS-röntgenlaser. Ze ontdekten dat elk atoom een ​​onafhankelijke, schijnbaar willekeurig pad naar zijn nieuwe roosterpositie. Computersimulaties door Duke-afgestudeerde student Shan Yang ondersteunden die conclusie.

"Onze bevindingen suggereren dat wanorde een belangrijke rol kan spelen in sommige materialen, ", schreef het team in de Science-paper. Hoewel dit de inspanningen om de manier waarop materialen van de ene fase naar de andere verschuiven te beheersen, kan bemoeilijken, zij voegden toe, "het zou uiteindelijk een nieuw perspectief kunnen bieden op hoe de materie te beheersen, " en suggereren zelfs een nieuwe manier om supergeleiding met licht te induceren.

In een commentaar bij het rapport in Wetenschap , Andrea Cavalleri van de Universiteit van Oxford en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter zeiden dat de resultaten impliceren dat moleculaire films van atomen die in de loop van de tijd van positie veranderen, geen volledig beeld schetsen van de betrokken microscopische fysica.

Hij voegde toe, "Algemener, het is duidelijk uit dit werk dat röntgenvrije elektronenlasers veel meer openen dan wat werd verwacht toen deze machines werden gepland, ons dwingt om veel oude begrippen die tot nu toe als vanzelfsprekend werden beschouwd opnieuw te evalueren."