Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрывает удивительный феномен: атомы в ультратонких материалах танцуют под воздействием импульсов света, закручиваясь и разкручиваясь как синхронизированные танцоры. Этот изысканный танец разворачивается со скоростью молнии – масштабом триллионной доли секунды – делая его невидимым для невооруженного глаза и слишком быстрым для обычных научных приборов, чтобы захватить его.
Чтобы раскрыть этот атомный балет, исследователи из Корнеллского и Стэнфордского университетов обратились к ультрабыстрой электронной дифракции. Этот передовой метод использует невероятно короткие импульсы электронов, направляемых на образец непосредственно после того, как лазерный импульс попадает в него. Представьте это ультраскоростной камерой, запечатлевшей конкретные моменты танца. Анализируя, как эти атомные слои рассеивают электроны, ученые могут восстановить их движение во времени.
Объектом этого атомного спектакля является особый тип материала, известный как мозаичные материалы. Эти материалы создаются путем укладки крайне тонких листов – всего лишь из нескольких атомов толщиной – друг на друга с незначительными смещениями. Это кажущееся небольшим смещение создает уникальные свойства, которые можно корректировать, регулируя угол между слоями.
«Представьте себе, что вы накладываете две листы бумаги с легким поворотом», – объясняет Джаред Максон, профессор физики Корнеллского университета и соавтор исследования. «Способ их перекрывания создает интересные узоры – мозаичные узоры – и эти узоры влияют на то, как ведет себя материал».
Эти свойства можно манипулировать так, чтобы материалы действовали как сверхпроводники – позволяя электричеству течь с нулевым сопротивлением – или создавать необычные электронные поведения, открывая двери для инноваций в квантовой электронике и других передовых технологиях.
Ранее ученые полагали, что после укладки под фиксированным углом структура этих мозаичных материалов оставалась статичной. Однако это революционное исследование показывает, что атомы внутри этих многослойных структур далеки от жесткости. Вместо этого они проявляют динамическое движение, кратковременно сжимаясь вместе при воздействии света и затем возвращаясь в исходное положение, подобно пружине, которая выпускает свою энергию.
«Это открытие ставит под сомнение предыдущие предположения», – добавляет Фанг Ли, руководитель проекта из Стэнфорда и соавтор исследования. «Мы увидели, что атомы внутри этих мозаичных клеток действуют почти как участники хоровода».
Успех этого эксперимента был основан на разработке специализированных материалов командой Лиу в Стэнфорде и самодельном корнеллском устройстве ультрабыстрой электронной дифракции, оснащенным высокочувствительным детектором под названием EMPAD.
EMPAD, первоначально предназначенный для захвата статических изображений, был перенастроен в этом исследовании, чтобы действовать как невероятно быстрая камера, способная запечатлеть эти мимолетные атомные движения. «Большинство детекторов размыли бы сигнал», – говорит Максон. «EMPAD позволил нам увидеть невероятно тонкие детали, которые легко могли быть упущены».
Это совместное исследование является важным рубежом в нашем понимании мозаичных материалов. Он демонстрирует мощь ультрабыстрой электронной дифракции для визуализации наноразмерных явлений и открывает захватывающие возможности для манипулирования квантовым поведением в реальном времени с помощью света. Будущие эксперименты будут изучать, как разные материалы и углы поворота реагируют на импульсы света, прокладывая путь к потенциально революционным достижениям в областях от сверхпроводимости до квантового вычисления.
