Камера со скоростью затвора, измеряющая триллионные доли секунды, фиксирует 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 часто щелкает. быстрее.

Теперь ученые придумали способ добиться скорости затвора, которая составляет всего одну триллионную долю секунды, или в 250 миллионов раз быстрее, чем у цифровых камер. Это делает его способным уловить 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, вызванного вибрацией. или изменение температуры, например. Это явление мы еще не полностью понимаем, но оно имеет решающее значение для свойств и реакций материалов.

Новая система сверхкоротких выдержек дает нам гораздо больше информации о том, 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 можем по-настоящему увидеть эту сторону материалов», — говорит специалист по материалам Саймон. Биллинджа из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

«С помощью этой техники мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы участвуют в танце, а какие нет».

Более короткая выдержка позволяет получить более точный моментальный снимок времени, что полезно для быстро движущихся объектов, таких как быстро дрожащие атомы. Используйте низкую скорость затвора, например, при съемке спортивного матча, и вы получите размытые изображения игроков в кадре.

Чтобы добиться поразительно быстрого снимка, vsPDF использует нейтроны для измерения положения атомов, а не обычные методы фотографии. То, как нейтроны попадают в материал и проходят через него, можно отслеживать для измерения окружающих атомов, при этом изменения уровней энергии эквивалентны регулировке скорости затвора.

Эти изменения скорости затвора значительны, так же как и триллионные доли секунды: они жизненно важны для выделения динамического беспорядка из родственного, но другого статического беспорядка — нормального фона, колеблющегося на месте атомов, которые не улучшают функцию материала.

«Это дает нам совершенно новый способ разобраться в сложностях того, что происходит в сложных материалах, скрытых эффектах, которые могут усилить их свойства», — говорит Биллиндж.

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

Камера показала, что GeTe остается структурированным как кристалл, на среднее, при всех температурах. Но при более высоких температурах он демонстрировал более динамический беспорядок, когда атомы обменивали движение на тепловую энергию, следуя градиенту, который совпадает с направлением спонтанной электрической поляризации материала.

Лучшее понимание этих физических структур улучшает нашу работу. знание того, как работает термоэлектричество, позволяет нам разрабатывать более качественные материалы и оборудование, например инструменты, питающие марсоходы, когда солнечный свет недоступен.

Благодаря моделям, основанным на наблюдениях, сделанных новой камерой, научное понимание этих материалов и процессов можно улучшить. 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 средних структур в энергетические материалы», — пишут исследователи в опубликованной статье.

Исследование опубликовано в Nature Materials.