Iedereen die stoom uit een kokende ketel heeft zien opborrelen of ijskristallen heeft zien vormen op een nat raam in de winter, heeft waargenomen wat wetenschappers een faseovergang noemen.

Faseovergangen - zoals die tussen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen - komen voor in allerlei verschillende stoffen, en ze kunnen snel of langzaam plaatsvinden. Wetenschappers zijn van plan faseovergangen te gebruiken om de elektronische, structurele of magnetische eigenschappen van verschillende materialen te kunnen controleren terwijl ze deze veranderingen ondergaan, bijvoorbeeld voor gebruik in nieuwe soorten computergeheugens.

In de nieuwe studie hebben onderzoekers voor het eerst een structurele faseovergang tot in de kleinste details op een zeer snelle tijdschaal kunnen bekijken. De wetenschappers maakten röntgenfoto's met een onderlinge afstand van minder dan een tiende van een miljardste van een seconde door middel van een techniek die nanodiffractiemicroscopie wordt genoemd. "Een typische video kan worden afgespeeld met 30 frames per seconde, dus dit is ongeveer een slow-motionvideo die dynamiek kan oplossen die extreem snel is", zegt Haidan Wen, een natuurkundige bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Het vermogen om de evolutie van materiaalgedrag met zo'n precisie in tijd en ruimte te observeren, heeft ongebruikelijk gedrag aan het licht gebracht in bepaalde materialen die een faseverandering ondergaan, waaronder veel magnetische materialen.

"We kunnen inzoomen op een steekproef in termen van tijd en ruimte op manieren die we nog nooit eerder hebben kunnen doen", zegt Youngjun Ahn, de eerste auteur van het onderzoek. Ahn is een voormalig afgestudeerde student-stagiair bij Argonne van de Universiteit van Wisconsin-Madison. Voor dit werk werkte hij nauw samen met Wen. "Deze methode geeft ons een nauwkeurig beeld van structurele veranderingen in onze steekproef die moeilijk te zien zijn met een andere methode," zei Ahn.

De studie gebruikte de Hard X-Ray Nanoprobe die wordt beheerd door het Center for Nanoscale Materials (CNM) bij de Advanced Photon Source (APS) in Argonne. De APS en CNM zijn gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science.

Door te kijken naar faseovergangen in een ijzer-rhodiumverbinding, vonden de onderzoekers een manier om de structuur van de verbinding te zien veranderen tussen twee magnetische configuraties. De verandering veroorzaakt een uitbreiding van het atomaire netwerk die erg klein is, maar genoeg om significante gevolgen te hebben voor het magnetisme.

Wetenschappers kunnen de magnetische fasen gebruiken om een ​​nieuw soort magnetische opslag te creëren die belooft sneller en energiezuiniger te zijn dan conventionele gegevensopslag. In alle magnetische materialen kan het manipuleren van faseovergangen rond de kritische temperatuur waarbij ze optreden, de sleutel zijn om een ​​informatieopslagbit tussen een "1" en een "0" te kunnen omdraaien.

Om compacte magnetische herinneringen te maken, moeten wetenschappers een manier hebben om ze precies te manipuleren. Een manier om dat te doen is met een lokale temperatuurverandering.

Door een magnetisch bit op te warmen, zouden wetenschappers mogelijk een manier kunnen hebben om de herconfiguratie te induceren die ze gebruiken om informatie te coderen met minder energieverbruik, wat bekend staat als warmteondersteunde magnetische opname. "Een van de dingen die erg interessant zijn aan dit specifieke materiaal - ijzer-rhodium - is dat het een faseovergang heeft bij een temperatuur die voor dit soort toepassingen kan worden gebruikt", zegt Paul Evans, professor aan de University of Wisconsin-Madison. "Maar om het soort manipulaties te doen waarin we geïnteresseerd zijn, hebben we een betere 'camera' nodig. Daarom is het belangrijk om deze nieuw ontwikkelde techniek te gebruiken om het te bestuderen."

"Het belangrijkste aspect van ons experiment is dat we in staat zijn om met hoge precisie toegang te krijgen tot de extreem kleine regio's van de ruimte of snelle momenten in de tijd, waardoor we dynamiek op nanoschaal kunnen ontdekken die nog niet eerder is herkend", voegde Wen toe, die het werk bedacht. .

De aanstaande upgrade naar de APS zal belangrijke implicaties hebben voor verdere experimenten die dit soort faseovergangen visualiseren. "Na de APS-upgrade", zegt Argonne-röntgenwetenschapper Martin Holt, "verwachten we een hogere ruimtelijke resolutie te bereiken, met name door gebruik te maken van de verbeterde coherentie van de röntgenstraal. Onze ontwikkeling van ultrasnelle tijdresolutie binnen dat type Röntgenmicroscopie helpt ons de oorzaken van de soorten effecten die we waarnemen te begrijpen. Dit is een unieke mogelijkheid die de verbeterde APS kan bieden."

Een paper gebaseerd op de studie, "X-ray nanodiffraction imaging onthult duidelijke nanoscopische dynamiek van een ultrasnelle faseovergang", verscheen in Proceedings of the National Academy of Sciences . + Verder verkennen

Nieuwe vacht voor de kwantumkat:verstrengeling van veel atomen voor het eerst ontdekt