Door gebruik te maken van een röntgentechniek die beschikbaar is bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), wetenschappers ontdekten dat de overgang van metaal naar isolator in het gecorreleerde materiaal magnetiet een proces in twee stappen is. De onderzoekers van de University of California Davis publiceerden hun paper in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . NSLS-II, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science in het Brookhaven National Laboratory, heeft unieke eigenschappen waardoor de techniek gedurende lange tijd stabiel en gecontroleerd kan worden toegepast.

"Gecorreleerde materialen hebben interessante elektronische, magnetisch, en structurele eigenschappen, en we proberen te begrijpen hoe die eigenschappen veranderen wanneer hun temperatuur verandert of onder toepassing van lichtpulsen, of een elektrisch veld", zei Roopali Kukreja, een UC Davis-professor en de hoofdauteur van het artikel. Een dergelijke eigenschap is elektrische geleidbaarheid, die bepaalt of een materiaal metallisch of een isolator is.

Als een materiaal een goede geleider van elektriciteit is, het is meestal metaalachtig, en als dat niet zo is, het staat dan bekend als een isolator. In het geval van magnetiet, temperatuur kan veranderen of het materiaal een geleider of isolator is. Voor het gepubliceerde onderzoek het doel van de onderzoekers was om te zien hoe het magnetiet op atomair niveau veranderde van isolator in metaal naarmate het heter werd.

In welk materiaal dan ook, er is een specifieke rangschikking van elektronen binnen elk van zijn miljarden atomen. Deze volgorde van elektronen is belangrijk omdat het de eigenschappen van een materiaal bepaalt, bijvoorbeeld de geleidbaarheid. Om de metaal-isolator overgang van magnetiet te begrijpen, de onderzoekers hadden een manier nodig om te kijken hoe de rangschikking van de elektronen in het materiaal veranderde met de verandering van temperatuur.

"Deze elektronische regeling houdt verband met waarom we geloven dat magnetiet een isolator wordt, " zei Kukreja. Echter, Om deze opstelling te bestuderen en hoe deze onder verschillende omstandigheden verandert, moesten de wetenschappers het magnetiet op een superkleine schaal kunnen bekijken.

De techniek, bekend als röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS), verkrijgbaar bij NSLS-II's Coherent Soft X-ray scattering (CSX) bundellijn, lieten de onderzoekers kijken hoe het materiaal op nanoschaal veranderde - in de orde van miljardsten van een meter.

"CSX is ontworpen voor zachte coherente röntgenverstrooiing. Dit betekent dat de bundellijn gebruikmaakt van onze ultraheldere, stabiele en coherente bron van röntgenstralen om te analyseren hoe de opstelling van het elektron in de loop van de tijd verandert, " legde Andi Barbour uit, een CSX-wetenschapper die co-auteur is van het papier. "De uitstekende stabiliteit stelt onderzoekers in staat om gedurende uren kleine variaties te onderzoeken, zodat het intrinsieke elektronengedrag in materialen kan worden onthuld."

Echter, dit is niet direct zichtbaar dus XPCS gebruikt een truc om de informatie te onthullen.

"De XPCS-techniek is een coherente verstrooiingsmethode die in staat is om de dynamiek in een systeem van gecondenseerde materie te onderzoeken. Een spikkelpatroon wordt gegenereerd wanneer een coherente röntgenstraal uit een monster wordt verstrooid, als een vingerafdruk van zijn inhomogeniteit in de echte ruimte, " zei Wen Hu, een wetenschapper bij CSX en co-auteur van het artikel.

Wetenschappers kunnen dan verschillende omstandigheden op hun materiaal toepassen en als het spikkelpatroon verandert, het betekent dat de elektronenordening in het monster verandert. "Eigenlijk, XPCS meet hoe lang het duurt voordat de intensiteit van een spikkel heel anders wordt dan de gemiddelde intensiteit, wat bekend staat als decorrelatie, " zei Claudio Mazzoli, de hoofdbundellijnwetenschapper bij de CSX-bundellijn. "Gelet op veel spikkels tegelijk, de ensemble-decorrelatietijd is de handtekening van de dynamische tijdschaal voor een bepaalde steekproefvoorwaarde."

De techniek onthulde dat de overgang van metaal naar isolator geen proces in één stap is, zoals eerder werd gedacht, maar gebeurt eigenlijk in twee stappen.

"Wat we verwachtten was dat dingen steeds sneller zouden gaan tijdens het opwarmen. Wat we zagen was dat dingen steeds sneller en sneller gaan en dan langzamer gaan. Dus de snelle fase is één stap en de tweede stap is het vertragen, en dat moet gebeuren voordat het materiaal metaalachtig wordt, " zei Kukreja. De wetenschappers vermoeden dat de vertraging optreedt omdat, tijdens de faseovergang, de metallische en isolerende eigenschappen bestaan ​​eigenlijk tegelijkertijd in het materiaal.

"Deze studie toont aan dat deze nanometer-lengteschalen echt belangrijk zijn voor deze materialen, " zei Kukreja. "We hebben nergens anders toegang tot deze informatie en deze experimentele parameters dan bij de CSX-bundellijn van NSLS-II."