Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature, виявило дивовижне явище: атоми в ультратонких матеріалах танцюють, коли на них потрапляють імпульси світла, крутячись і розкручуючи, як синхронні танцюристи. Цей вишуканий танець розгортається з блискавичною швидкістю — у масштабі трильйонної частки секунди, — що робить його невидимим неозброєним оком і надто швидким, щоб звичайні наукові інструменти могли його зафіксувати.
Щоб розкрити цей атомний балет, дослідники з Корнельського та Стенфордського університетів звернулися до дифракції надшвидких електронів. У цій передовій техніці використовуються неймовірно короткі імпульси електронів, спрямовані на зразок відразу після того, як на нього потрапляє лазерний імпульс. Уявіть собі, що надшвидкісна камера знімає конкретні моменти танцю. Аналізуючи, як ці атомні шари розсіюють електрони, вчені можуть реконструювати їхній рух у часі.
Предметом цього атомного видовища є особливий тип матеріалу, відомий як мозаїчні матеріали. Ці матеріали створюються шляхом укладання надзвичайно тонких аркушів — лише кілька атомів товщиною — один на одного з невеликим зміщенням. Це, здавалося б, невелике зміщення створює унікальні властивості, які можна регулювати, регулюючи кут між шарами.
«Уявіть собі, що ви з’єднуєте два аркуші паперу, злегка покрутивши їх», — пояснює Джаред Максон, професор фізики Корнельського університету та співавтор дослідження. «Те, як вони накладаються, створює цікаві візерунки — мозаїчні візерунки — і ці візерунки впливають на поведінку матеріалу».
Цими властивостями можна маніпулювати, щоб матеріали діяли як надпровідники, дозволяючи електриці протікати з нульовим опором, або створювали незвичайну поведінку електроніки, відкриваючи двері для інновацій у квантовій електроніці та інших передових технологіях.
Раніше вчені вважали, що після укладання під фіксованим кутом структура цих мозаїчних матеріалів залишалася статичною. Однак це новаторське дослідження показує, що атоми всередині цих багатошарових структур далеко не жорсткі. Натомість вони демонструють динамічний рух, ненадовго стискаючись разом під дією світла, а потім повертаючись у вихідне положення, як пружина, що вивільняє свою енергію.
«Це відкриття ставить під сумнів попередні припущення», — додає Фан Лі, керівник проекту в Стенфорді та співавтор дослідження. «Ми побачили, що атоми всередині цих мозаїчних клітин діяли майже як учасники хороводу».
Успіх цього експерименту був заснований на розробці спеціалізованих матеріалів командою Лю зі Стенфорда та саморобного приладу для ультрашвидкої дифракції електронів Cornell, оснащеного високочутливим детектором під назвою EMPAD.
EMPAD, спочатку розроблений для зйомки статичних зображень, був змінений у цьому дослідженні, щоб діяти як неймовірно швидка камера, здатна фіксувати ці швидкоплинні рухи атомів. «Більшість детекторів вимивали б сигнал», — каже Максон. «EMPAD дозволив нам побачити неймовірно тонкі деталі, які легко можна було пропустити».
Це спільне дослідження є важливою віхою в нашому розумінні мозаїчних матеріалів. Він демонструє потужність надшвидкої дифракції електронів для зображення нанорозмірних явищ і відкриває захоплюючі можливості для маніпулювання квантовою поведінкою в реальному часі за допомогою світла. Майбутні експерименти вивчатимуть, як різні матеріали та кути обертання реагують на імпульси світла, прокладаючи шлях до потенційно революційних досягнень у галузях від надпровідності до квантових обчислень.
