Nedávná studie publikovaná v časopise Nature odhaluje překvapivý jev: atomy v ultratenkých materiálech tančí, když jsou zasaženy pulzy světla, kroutí se a odvíjejí jako synchronizované tanečnice. Tento nádherný tanec se rozvíjí rychlostí blesku – v měřítku biliontiny sekundy – díky čemuž je neviditelný pouhým okem a příliš rychlý na to, aby jej zachytily konvenční vědecké přístroje.
K odhalení tohoto atomového baletu se výzkumníci na univerzitách Cornell a Stanford obrátili na ultrarychlou elektronovou difrakci. Tato špičková technika využívá neuvěřitelně krátké pulsy elektronů namířených na vzorek bezprostředně poté, co jej laserový puls zasáhne. Představte si to s ultrarychlou kamerou zachycující konkrétní okamžiky tance. Analýzou toho, jak tyto atomové vrstvy rozptylují elektrony, mohou vědci rekonstruovat jejich pohyb v čase.
Předmětem této atomové podívané je speciální druh materiálu známý jako mozaikové materiály. Tyto materiály jsou vytvořeny naskládáním extrémně tenkých plátů – jen pár atomů tlustých – na sebe s mírnými posuny. Tento zdánlivě malý posun vytváří jedinečné vlastnosti, které lze upravit úpravou úhlu mezi vrstvami.
„Představte si, že k sobě složíte dva kusy papíru lehkým pootočením,“ vysvětluje Jared Maxson, profesor fyziky na Cornellově univerzitě a spoluautor studie. “Způsob, jakým se překrývají, vytváří zajímavé vzory – mozaikové vzory – a tyto vzory ovlivňují, jak se materiál chová.”
S těmito vlastnostmi lze manipulovat tak, aby materiály fungovaly jako supravodiče – umožňující proudění elektřiny s nulovým odporem – nebo vytvářely neobvyklé elektronické chování, čímž se otevírají dveře inovacím v kvantové elektronice a dalších pokročilých technologiích.
Dříve se vědci domnívali, že po položení v pevném úhlu zůstává struktura těchto mozaikových materiálů statická. Tento převratný výzkum však ukazuje, že atomy uvnitř těchto vícevrstvých struktur nejsou ani zdaleka tuhé. Místo toho vykazují dynamický pohyb, při vystavení světlu se krátce stahují a pak se vracejí do své původní polohy, jako když pružina uvolňuje svou energii.
„Tento objev zpochybňuje předchozí předpoklady,“ dodává Fang Li, vedoucí projektu ve Stanfordu a spoluautor studie. “Viděli jsme, že atomy uvnitř těchto mozaikových buněk se chovaly téměř jako účastníci kulatého tance.”
Úspěch tohoto experimentu byl založen na vývoji specializovaných materiálů Liuovým týmem ve Stanfordu a na domácím Cornellově ultrarychlém elektronovém difrakčním zařízení vybaveném vysoce citlivým detektorem nazvaným EMPAD.
EMPAD, původně navržený pro zachycení statických snímků, byl v této studii překonfigurován tak, aby fungoval jako neuvěřitelně rychlá kamera schopná zachytit tyto prchavé pohyby atomů. “Většina detektorů by signál smyla,” říká Maxon. “EMPAD nám umožnil vidět neuvěřitelně jemné detaily, které mohly snadno přehlédnout.”
Tento společný výzkum představuje důležitý milník v našem chápání mozaikových materiálů. Demonstruje sílu ultrarychlé elektronové difrakce pro zobrazování jevů v nanoměřítku a otevírá vzrušující možnosti pro manipulaci s kvantovým chováním v reálném čase pomocí světla. Budoucí experimenty budou studovat, jak různé materiály a úhly rotace reagují na pulsy světla, čímž připraví půdu pro potenciálně revoluční pokroky v oblastech od supravodivosti po kvantové výpočty.
