Niedawne badanie opublikowane w czasopiśmie Nature ujawnia zaskakujące zjawisko: atomy w ultracienkich materiałach tańczą pod wpływem impulsów światła, skręcając się i rozwijając jak zsynchronizowani tancerze. Ten niezwykły taniec rozwija się z szybkością błyskawicy – w skali bilionowej sekundy – dzięki czemu jest niewidoczny gołym okiem i zbyt szybki, aby konwencjonalne instrumenty naukowe mogły go uchwycić.
Aby odkryć ten balet atomowy, naukowcy z uniwersytetów Cornell i Stanford zajęli się ultraszybką dyfrakcją elektronów. Ta najnowocześniejsza technika wykorzystuje niezwykle krótkie impulsy elektronów skierowane na próbkę natychmiast po uderzeniu impulsu lasera. Wyobraź sobie to z ultraszybką kamerą rejestrującą określone momenty tańca. Analizując sposób, w jaki te warstwy atomowe rozpraszają elektrony, naukowcy mogą zrekonstruować ich ruch w czasie.
Przedmiotem tego atomowego spektaklu jest szczególny rodzaj materiału, zwany materiałami mozaikowymi. Materiały te powstają poprzez ułożenie niezwykle cienkich arkuszy – o grubości zaledwie kilku atomów – jeden na drugim z niewielkimi przesunięciami. To pozornie niewielkie przesunięcie tworzy unikalne właściwości, które można regulować, dostosowując kąt między warstwami.
„Wyobraźmy sobie, że składamy dwie kartki papieru z lekkim przekręceniem” – wyjaśnia Jared Maxson, profesor fizyki na Uniwersytecie Cornell i współautor badania. „Sposób, w jaki się nakładają, tworzy ciekawe wzory – wzory mozaikowe – a te wzory wpływają na zachowanie materiału”.
Właściwościami tymi można manipulować tak, aby materiały działały jak nadprzewodniki — umożliwiając przepływ prądu przy zerowym oporze — lub tworzyły niezwykłe zachowania elektroniczne, otwierając drzwi do innowacji w elektronice kwantowej i innych zaawansowanych technologiach.
Wcześniej naukowcy uważali, że po ułożeniu pod stałym kątem struktura tych materiałów mozaikowych pozostaje statyczna. Jednak to przełomowe badanie pokazuje, że atomy wewnątrz tych wielowarstwowych struktur są dalekie od sztywnych. Zamiast tego wykazują dynamiczny ruch, na krótko kurcząc się pod wpływem światła, a następnie powracając do pierwotnej pozycji, niczym sprężyna uwalniająca swoją energię.
„To odkrycie podważa wcześniejsze założenia” – dodaje Fang Li, kierownik projektu na Uniwersytecie Stanforda i współautor badania. „Zaobserwowaliśmy, że atomy wewnątrz tych komórek mozaiki zachowywały się prawie jak uczestnicy okrągłego tańca”.
Sukces tego eksperymentu opierał się na opracowaniu przez zespół Liu ze Stanford specjalistycznych materiałów oraz na domowym ultraszybkim urządzeniu do dyfrakcji elektronów firmy Cornell, wyposażonym w bardzo czuły detektor o nazwie EMPAD.
EMPAD, pierwotnie zaprojektowany do przechwytywania obrazów statycznych, został w tym badaniu ponownie skonfigurowany tak, aby działał jako niezwykle szybka kamera zdolna do rejestrowania ulotnych ruchów atomów. „Większość detektorów rozmywa sygnał” – mówi Maxon. „EMPAD pozwolił nam dostrzec niezwykle subtelne szczegóły, które można było łatwo przeoczyć”.
Te wspólne badania stanowią ważny kamień milowy w naszym rozumieniu materiałów mozaikowych. Pokazuje siłę ultraszybkiej dyfrakcji elektronów w obrazowaniu zjawisk w nanoskali i otwiera ekscytujące możliwości manipulowania zachowaniem kwantowym w czasie rzeczywistym przy użyciu światła. Przyszłe eksperymenty będą dotyczyć reakcji różnych materiałów i kątów obrotu na impulsy światła, torując drogę potencjalnie rewolucyjnym postępom w dziedzinach, od nadprzewodnictwa po obliczenia kwantowe.
