Met Discovery kunnen wetenschappers met ultrasnelle precisie kijken hoe 2D-materialen bewegen.

Met behulp van een nooit eerder vertoonde techniek, wetenschappers hebben een nieuwe manier gevonden om enkele van 's werelds krachtigste röntgenstralen te gebruiken om te ontdekken hoe atomen met ultrahoge snelheden in een enkele atoomplaat bewegen.

De studie, geleid door onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en in samenwerking met andere instellingen, waaronder de Universiteit van Washington en het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE, ontwikkelde een nieuwe techniek genaamd ultrasnelle oppervlakte-röntgenverstrooiing. Deze techniek onthulde de veranderende structuur van een atomair dun tweedimensionaal kristal nadat het was geëxciteerd met een optische laserpuls.

"Het uitbreiden van [oppervlakte-röntgenverstrooiing] om ultrasnelle wetenschap te doen in enkellaagse materialen vertegenwoordigt een belangrijke technologische vooruitgang die ons veel kan laten zien over hoe atomen zich gedragen op oppervlakken en op de interfaces tussen materialen, " zei Argonne-wetenschapper Haidan Wen.

In tegenstelling tot eerdere technieken voor röntgenverstrooiing aan het oppervlak, deze nieuwe methode gaat verder dan het leveren van een statisch beeld van de atomen op het oppervlak van een materiaal om de bewegingen van atomen vast te leggen op tijdschalen van slechts biljoensten van een seconde na laserexcitatie.

Statische oppervlakte-röntgenverstrooiing en enige tijdsafhankelijke oppervlakte-röntgenverstrooiing kunnen worden uitgevoerd bij een synchrotron-röntgenbron, maar om ultrasnelle oppervlakte-röntgenverstrooiing te doen, moesten de onderzoekers de Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray free-electron laser bij SLAC gebruiken. Deze lichtbron levert zeer heldere röntgenstralen met extreem korte belichtingen van 50 femtoseconden. Door snel grote hoeveelheden fotonen aan het monster te leveren, de onderzoekers waren in staat om een ​​voldoende sterk in de tijd opgelost verstrooiingssignaal te genereren, waardoor de beweging van atomen in 2-D-materialen wordt gevisualiseerd.

"Oppervlak-röntgenverstrooiing is op zichzelf al uitdagend genoeg, " zei Argonne röntgenfysicus Hua Zhou, een auteur van de studie. "Het uitbreiden om ultrasnelle wetenschap te doen in enkellaagse materialen vertegenwoordigt een belangrijke technologische vooruitgang die ons veel kan laten zien over hoe atomen zich gedragen op oppervlakken en op de interfaces tussen materialen."

In tweedimensionale materialen, atomen trillen typisch een beetje langs alle drie de dimensies onder statische omstandigheden. Echter, op ultrasnelle tijdschalen, er ontstaat een ander beeld van atomair gedrag, zei de natuurkundige en studieauteur Haidan Wen van Argonne.

Met behulp van ultrasnelle röntgenverstrooiing aan het oppervlak, Wen en postdoctoraal onderzoeker I-Cheng Tung leidden een onderzoek naar een tweedimensionaal materiaal genaamd wolfraamdiselenide (WSe ₂ ). In dit materiaal, elk wolfraamatoom is verbonden met twee seleniumatomen in een "V" -vorm. Wanneer het enkellaagse materiaal wordt geraakt met een optische laserpuls, de energie van de laser zorgt ervoor dat de atomen binnen het vlak van het materiaal bewegen, een contra-intuïtief effect creëren.

"Normaal zou je verwachten dat de atomen uit het vliegtuig gaan, aangezien daar de beschikbare ruimte is, " zei Wen. "Maar hier zien we ze meestal trillen in het vliegtuig direct na excitatie."

Deze waarnemingen werden ondersteund door eerste-principe berekeningen onder leiding van Aiichiro Nakano van de University of Southern California en wetenschapper Pierre Darancet van Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Het team verkreeg voorlopige oppervlakte-röntgenverstrooiingsmetingen bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), ook een DOE Office of Science User Facility. Deze metingen, hoewel ze niet met ultrahoge snelheden zijn genomen, stelden de onderzoekers in staat hun benadering voor de LCLS-vrije-elektronenlaser te kalibreren, zei Wen.

De richting van atomaire verschuivingen en de manieren waarop de roosterveranderingen belangrijke effecten hebben op de eigenschappen van tweedimensionale materialen zoals WSe ₂ , volgens professor Xiaodong Xu van de Universiteit van Washington. "Omdat deze 2-D-materialen rijke fysieke eigenschappen hebben, wetenschappers zijn geïnteresseerd om ze te gebruiken om fundamentele fenomenen te verkennen, evenals mogelijke toepassingen in elektronica en fotonica, "Hij zei. "Het visualiseren van de beweging van atomen in enkelvoudige atomaire kristallen is een echte doorbraak en zal ons in staat stellen om materiaaleigenschappen te begrijpen en aan te passen voor energierelevante technologieën."

"Deze studie geeft ons een nieuwe manier om structurele vervormingen in 2D-materialen te onderzoeken terwijl ze evolueren, en om te begrijpen hoe ze verband houden met de unieke eigenschappen van deze materialen die we hopen te gebruiken voor elektronische apparaten die licht uitzenden of controleren, " voegde Aaron Lindenberg eraan toe, een professor aan SLAC en Stanford University en medewerker aan de studie. "Deze benaderingen zijn ook toepasbaar op een brede klasse van andere interessante en slecht begrepen verschijnselen die optreden op de grensvlakken tussen materialen."

Een paper gebaseerd op de studie, "Anisotrope structurele dynamiek van monolaagkristallen onthuld door femtoseconde oppervlakte-röntgenverstrooiing, " verscheen in de online editie van 11 maart van Natuurfotonica .

Andere auteurs van de studie waren onder meer onderzoekers van de Universiteit van Washington, Universiteit van zuid Californië, Stanford universiteit, SLAC en Kumamoto University (Japan). De APS, CNM, en LCLS zijn DOE Office of Science User Facilities.