Theoretische en experimentele wetenschappers zijn samengekomen om vaste stoffen te zien trillen.

Atomen of moleculen vormen alles om ons heen. In veel vaste stoffen, zoals keukenzout of ijzer, ze zijn netjes gerangschikt als herhaalde structuren, 'kristalroosters' genoemd. Het gedrag van een vaste stof voor een externe factor, zoals toegepaste kracht, wordt bepaald door het collectieve gedrag van het rooster, geen individuele atomen of moleculen. Kleine trillingen van de bestanddelen bepalen de collectieve respons van het rooster. In plaats van de afzonderlijke bestanddelen, het is deze collectieve reactie die verschillende natuurlijke fenomenen bepaalt, inclusief hoe warmte door vaste stoffen wordt getransporteerd en hoe materialen van toestand veranderen tussen vaste stoffen, vloeistoffen, en gassen.

In een nieuwe studie, onderzoekers van het Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) hebben een theoretische methode bedacht om variaties van de roosterstructuur te voorspellen als reactie op externe verstoringen. Deze studie, gepubliceerd in het tijdschrift npj Computational Materials , werd gedeeltelijk gefinancierd door het IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Centre, het ministerie van Personeelszaken en Ontwikkeling (nu ministerie van Onderwijs), Afdeling Atoomenergie, en het ministerie van Wetenschap en Technologie, Overheid van India.

Wetenschappers onderzoeken variaties in de roosterstructuur, of zijn dynamiek, door eerst een externe verstoring op de constructie te creëren en vervolgens te observeren hoe de verstoring met de tijd verandert. De storing wordt vaak veroorzaakt door korte flitsen van laserlicht. "Als je een vaste stof verstoort door laserflitsen, zijn atomen beginnen te trillen, " zegt professor Gopal Dixit, een van de auteurs van het onderzoek.

Röntgenlicht of elektronen kunnen de informatie over de positie van de atomen en moleculen in het rooster onthullen. Wetenschappers bombarderen de vaste stof met meerdere röntgen- of elektronenpulsen op momenten gescheiden door een paar femtoseconden - dat wil zeggen, duizend van een biljoenste van een seconde. Dus, ze kunnen in deze gevallen afbeeldingen van de vaste stof verkrijgen, die ze aan elkaar naaien om de trillende atomen te filmen. Dergelijke experimenten zijn een uitdaging om te ontwerpen, met geavanceerde instrumenten die duurder zijn dan standaard laboratoriummicroscopen en beschikbaar zijn in een paar, zeldzame faciliteiten over de hele wereld. Pas in het laatste decennium zijn wetenschappers in staat geweest om dergelijke geavanceerde experimenten uit te voeren.

Anderzijds, het bestuderen van de moleculaire rangschikking van ongestoorde vaste stoffen is gemakkelijker. Al meer dan vijf decennia, wetenschappers hebben vaste stoffen zoals silicium gebombardeerd met röntgen- of elektronenstralen en waargenomen hoe deze straal interageert met zijn rooster. "De reactie van de vaste stof op de straal laat specifieke afdrukken achter op de uitgaande straal, het onthullen van de atomaire trillingen in het rooster, " zegt professor Dipanshu Bansal, een andere auteur van de studie. Een innovatieve wiskundige techniek die voor het eerst werd uitgevonden door Joseph Fourier, genaamd "Fourier-analyse, " helpt hen bij het bestuderen van de kleine structuren van het rooster in zowel ruimte als tijd.

In de huidige studie, de onderzoekers voerden wiskundige berekeningen uit en toonden aan dat men een vergelijkbare techniek zou kunnen gebruiken om vaste stoffen te bestuderen met een tijdelijke, externe storing. Ze gebruikten een uitgebreide versie van de methode van Fourier, samen met de wetten van de kwantumfysica. Aanvullend, ze gebruikten het fundamentele idee dat de tijd in één richting stroomt. Dit bracht hen ertoe een wiskundige grootheid te berekenen die bepaalt hoe de roosterstructuur reageert op de externe verstoring.

Met behulp van deze wiskundige hoeveelheid, ook wel de "responsfunctie" genoemd, " de onderzoekers voorspelden hoe vaste stoffen zich in de tijd zouden gedragen, tot een paar femtoseconden, en ruimte, tot fracties van een nanometer. Vervolgens, ze berekenden de responsfunctie op basis van afbeeldingen die beschikbaar waren uit experimenten die het afgelopen decennium met lasers zijn uitgevoerd. Deze hoeveelheid, de onderzoekers van de huidige studie hebben aangetoond, exact overeenkomt met de theoretische responsfunctie. Hun berekening laat voor het eerst zien dat het niet nodig is om de geavanceerde experimenten uit te voeren om de dynamiek van vaste stoffen te bestuderen.

Er zijn andere voordelen. "Onze voorgestelde methode vereist geen afzonderlijke röntgen- of elektronenpulsen gescheiden door fracties van picoseconden om de dynamiek te bestuderen. In plaats daarvan, een enkele puls is voldoende, " stelt professor Dixit. De berekeningen duren slechts een paar dagen op pc's, terwijl de experimenten dagen tot maanden kunnen duren.

De studie heeft ook theoretici en experimentatoren samengebracht. "Ons werk is een echt succes van gezamenlijke inspanningen, " zegt professor Bansal, een experimentele wetenschapper. "We hadden inzicht nodig in de exacte experimentele omstandigheden die niet door de theorie verklaard werden, en theoretische fysici om de taak op zich te nemen, " voegt professor Dixit toe, wie is een theoreticus. "Hoewel er uitdagingen zijn bij het uitvoeren van experimenten, de theoretische berekeningen hebben geen beperkingen, " geeft professor Bansal toe, de experimentator.

De onderzoekers beweren dat hun methode toepasbaar is voor vaste stoffen in verschillende omgevingen, zoals in een magnetisch veld, onder druk van buitenaf, of hoge temperatuur. "Dit is niet mogelijk via zelfs de meest geavanceerde microscopische experimenten, ", zegt professor Bansal. Hoewel het niet eenvoudig is om de responsfunctie te schatten op basis van de beperkte gegevens die beschikbaar zijn in experimenten, snelle technologische vooruitgang maakt het gemakkelijker om onderzoeken uit te voeren. Ook voor deze experimenten zijn de onderzoekers van plan hun theorie op de proef te stellen.