Камера с выдержкой в ​​триллионную долю секунды снимает хаос в действии

Чтобы сделать снимок, лучшие цифровые камеры на рынке открывают затвор примерно на одну четырехтысячную долю секунды.

Чтобы сделать снимок атомной активности, вам понадобится затвор, который щелкает намного быстрее.

Имея это в виду, ученые представили способ достижения скорости затвора, которая составляет всего лишь триллионную долю секунды, или в 250 миллионов раз быстрее, чем у цифровых камер. Это позволяет ему улавливать нечто очень важное в материаловедении: динамический беспорядок.

Проще говоря, это когда кластеры атомов движутся и танцуют в материале определенным образом в течение определенного периода времени, вызываемые вибрацией. или изменение температуры, например. Это явление, которое мы еще не полностью понимаем, но оно имеет решающее значение для свойств и реакций материалов.

Новая сверхскоростная система выдержки, представленная в 2023 году, дает нам гораздо больше понимания того, что происходит с динамическое расстройство. Исследователи называют свое изобретение функцией распределения пар атомов с переменным затвором, или сокращенно vsPDF.

«Только с помощью этого нового инструмента vsPDF мы действительно можем увидеть эту сторону материалов», — сказал ученый-материаловед Саймон. Биллиндж из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

«Благодаря этому методу мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы участвуют в танце, а какие нет».

Более короткая выдержка позволяет получить 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 в материал и проходят через него, можно отследить, чтобы измерить окружающие атомы, причем изменения уровней энергии эквивалентны регулировке выдержки.

Эти различия в выдержке значительны, как и Выдержка в триллионную долю секунды: они жизненно важны для того, чтобы отличить динамический беспорядок от родственного, но отличного статического беспорядка – нормального фонового колебания атомов, которое не улучшает функциональность материала.

«Это дает нам совершенно новый способ распутать сложности того, что происходит со сложными материалами, скрытые эффекты, которые могут усилить их свойства», — сказал Биллинг.

В этом случае исследователи обучали своих Нейтронная камера на материале под названием теллурид германия (GeTe), который из-за своих особых свойств широко используется для преобразования отходящего тепла в электричество или электричества в охлаждение.

Камера показала, что GeTe сохранил структуру кристалла, в среднем при всех температурах. Но при более высоких температурах он проявлял более динамический беспорядок, когда атомы обменивали движение на тепловую энергию по градиенту, который соответствует направлению спонтанной электрической поляризации материала.

Лучшее понимание этих физических структур улучшает наши знания. Знания о том, как работает термоэлектрика, позволяют нам разрабатывать более качественные материалы и оборудование, например инструменты, приводящие в действие марсоходы, когда солнечный свет недоступен.

Благодаря моделям, основанным на наблюдениях, снятых новой камерой, научное понимание Эти материалы и процессы могут быть улучшены. Однако предстоит еще много работы, чтобы подготовить vsPDF к широко используемому методу тестирования.

«Мы ожидаем, что описанный здесь метод vsPDF станет стандартным инструментом для согласования локальных и усредненных структур в энергетические материалы», — объяснили исследователи в своей статье.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.

Более ранняя версия этой статьи была опубликована в марте 2023 года.

эм>