Een groep door Cornell geleide onderzoekers in het Center for Bright Beams heeft een nieuwe theoretische benadering ontwikkeld om te berekenen hoe atomen zich van oppervlakken verspreiden. De methode, ontwikkeld door de onlangs verleende Cornell natuurkunde Ph.D. Michelle Kelley en haar medewerkers en gepubliceerd in Physical Review Letters , is de eerste methode om expliciet de interacties tussen een verstrooiend atoom met een oppervlak rechtstreeks vanuit de eerste principes te berekenen.

Om het oppervlak van een materiaal te begrijpen, zou je een bundel elektronen of röntgenstralen kunnen gebruiken om het oppervlak te onderzoeken, maar dat zou het materiaal beschadigen. Jarenlang hebben onderzoekers kristallijne materiaaloppervlakken onderzocht met behulp van de verstrooiing van bundels moleculen van het oppervlak. In het bijzonder is helium zeer geschikt voor deze taak, omdat het bij lage energieën een resolutie op atomaire schaal kan bieden. De modellen die onderzoekers hebben gebruikt om materiaaleigenschappen op deze manier te begrijpen, zijn echter gebrekkig.

Wanneer helium van een oppervlak verstrooit, verstrooit het de vrije elektronendichtheid van het materiaal in plaats van het oppervlak van het materiaal te penetreren, zonder schade achter te laten, terwijl het nog steeds nuttige trillingen in het oppervlak opwekt. Dit maakt heliumbundels potentieel zeer nuttig voor het begrijpen van de oppervlaktekarakteristieken van materialen op moleculair niveau.

"In tegenstelling tot verstrooiende elektronen of röntgenstralen zijn atomaire en moleculaire bundels niet-destructieve oppervlaktesondes die onderzoek mogelijk maken van steeds gevoeligere en delicatere monsters, waardoor de wetenschappelijke grenzen worden verlegd van oppervlaktetypes die haalbaar kunnen worden onderzocht", aldus Kelley.

Om atoomverstrooiing echter bruikbaar te maken, zijn nauwkeurige theoretische voorspellingen van verstrooiingssignaturen van cruciaal belang. Tot nu toe zijn deze voorspellende modellen te simpel of misleidend geweest. Kelley en haar groep hebben een nieuwe methode voor voorspellingsverstrooiing naar voren gebracht die een volledig ab initio, of vanaf het begin, benadering biedt voor het begeleiden van niet-destructieve atomaire bundelverstrooiing, zoals heliumatoomverstrooiing.

"We kunnen nu voor het eerst theoretisch berekenen, zonder enige input of aannames van buitenaf, hoe heliumatomen energie in een materiaal afzetten wanneer ze van het oppervlak stuiteren", zegt Tomás Arias, hoogleraar natuurkunde aan het College of Arts en Sciences (A&S), die het onderzoek regisseerde en begeleidde.

Kelley's groep gebruikte de oppervlakte-interacties van een heliumbundel met een niobiumoppervlak om vast te leggen hoe atoomverstrooiing en fonon-excitatie met elkaar in wisselwerking stonden. Hierdoor konden ze deze nieuwe voorspellende theorie creëren die de manier zal veranderen waarop onderzoekers de oppervlaktestructuur modelleren. Hoewel de theorie is ontwikkeld met behulp van een heliumbundel en niobium, kan deze in het algemeen worden toegepast op andere atoom-oppervlakcombinaties.

"Onze nieuwe theoretische aanpak levert resultaten op met een hoge nauwkeurigheid, omdat onbetrouwbare modellen en de bijbehorende afstemming van parameters die vereist waren in eerdere semi-empirische benaderingen volledig worden vermeden", aldus Kelley. "Het verbeteren van de nauwkeurigheid van dit soort theoretische voorspellingen zal helpen bij het begeleiden en interpreteren van experimenten van de volgende generatie die atomaire bundelverstrooiing gebruiken als een niet-destructieve sonde van gevoelige oppervlakte-eigenschappen."

"Dit resultaat zal helpen ons begrip te verbeteren van hoe elektronen en atomen in een materiaal met elkaar omgaan", zei Arias, "en licht zal werpen op belangrijke fenomenen, waaronder supergeleiding, door dergelijke experimenten te begeleiden en hun interpretatie te verbeteren."

Meer informatie: Michelle M. Kelley et al., Volledig Ab Initio-benadering van inelastische atoomoppervlakteverstrooiing, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Cornell University