Камера, работающая на триллионную долю секунды, снимает хаос в движении
Чтобы сделать снимок, лучшие цифровые камеры на рынке открывают затвор примерно на одну четырехтысячную долю секунды.
Чтобы запечатлеть атомную активность, вам понадобится затвор, который срабатывает намного быстрее.
Имея это ввиду, ученые представили в 2023 году способ достижения выдержки, составляющей всего лишь триллионную долю секунды, или в 250 миллионов раз быстрее, чем у цифровых камер. Это позволяет ему уловить нечто очень важное в материаловедении: динамический беспорядок.
Посмотрите видео ниже, чтобы получить краткое изложение того, что они обнаружили:
Проще говоря, это когда кластеры атомов движутся и танцуют в материале определенным образом в течение определенного периода времени – например, вызванного вибрацией или изменением температуры. Это явление, которое мы пока не до конца понимаем, но оно имеет решающее значение для свойств и реакций материалов.
Связано: Вот! Самая большая в мире камера делает первые снимки миллионов галактик
Сверхскоростная система выдержки дает нам гораздо больше понимания того, что происходит с динамическим беспорядком. Исследователи называют свое изобретение «функцией распределения атомных пар с переменным затвором», или сокращенно vsPDF.
«Только с помощью этого нового инструмента vsPDF мы действительно можем увидеть эту сторону материалов», — сказал ученый-материаловед Саймон Биллинг из Колумбийского университета в Нью-Йорке.
«Благодаря этому методу мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы танцуют, а какие сидят в нем».
Более короткая выдержка позволяет сделать более точный снимок. времени, что полезно для быстро движущихся объектов, таких как быстро колеблющиеся атомы. Например, если использовать короткую выдержку на фотографии спортивного матча, игроки в кадре будут размыты.
Для достижения удивительно быстрого снимка vsPDF использует нейтроны для измерения положения атомов, а не традиционные методы фотографии. То, как нейтроны попадают и проходят через материал, можно отследить, чтобы измерить окружающие атомы, с изменениями уровней энергии, эквивалентными регулировке выдержки.
Эти различия в выдержке значительны, как и выдержка в триллионную долю секунды: они жизненно важны для выделения динамического беспорядка из родственного, но другого статического беспорядка – нормального фонового покачивания на месте атомов, которое не улучшает функцию материала.
«Это дает нам целое новый способ распутать сложности того, что происходит в сложных материалах, скрытые эффекты, которые могут усилить их свойства», — сказал Биллинг.
В этом случае исследователи настроили свою нейтронную камеру на материале под названием теллурид германия (GeTe), который из-за его особых свойств широко используется для преобразования отходящего тепла в электричество или электричества в охлаждение.
Камера показала, что GeTe сохраняет структуру кристалла, в среднем при всех температурах. Но при более высоких температурах он проявлял более динамический беспорядок, когда атомы обменивались движением на тепловую энергию по градиенту, который соответствует направлению спонтанной электрической поляризации материала.
Лучшее понимание этих физических структур улучшает наши знания о том, как работает термоэлектричество, что позволяет нам разрабатывать более качественные материалы и оборудование, например, инструменты, питающие марсоходы, когда солнечный свет недоступен.
Благодаря моделям, основанным на наблюдениях, снятых новой камерой, можно улучшить научное понимание этих материалов и процессов. Однако предстоит еще много работы, чтобы vsPDF стал широко используемым методом тестирования.
«Мы ожидаем, что описанный здесь метод vsPDF станет стандартным инструментом для согласования локальных и средних структур в энергетических материалах», — объяснили исследователи в своей статье.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
Предыдущая версия этой статьи была опубликована в марте 2023 года.
