Триллионная доля секунды камеры захватывает хаос в действии

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

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

Помня об этом, ученые открыли способ достижения 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, показанная в марте этого года, дает нам гораздо больше информации о том, что происходит при динамическом расстройстве. Исследователи называют свое изобретение функцией распределения атомных пар с переменным затвором, или сокращенно vsPDF.

«Только с этим новым инструментом vsPDF мы можем по-настоящему увидеть эту сторону материалов», — сказал материаловед 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 связанного, 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», — сказал Биллиндж.

В этом случае исследователи тренировали своих нейтронная 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, в среднем 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 наши знания. 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», — пояснили исследователи в своей статье.

Исследование было опубликовано в Nature Materials.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в марте 2023 года.

em>