Камера з витримкою трильйонної секунди фіксує хаос у дії

Щоб зробити знімок, найкращі цифрові камери на ринку відкривають затвор приблизно на одну чотиритисячну секунди. Щоб зробити знімок атомної активності, вам знадобиться затвор, який клацає набагато швидше. Тепер вчені винайшли спосіб досягти витримки, яка становить лише трильйонну частку секунди, або у 250 мільйонів разів швидше, ніж у цих цифрових камер. Це робить його здатним зафіксувати щось дуже важливе в матеріалознавстві: динамічний безлад.

Простіше кажучи, це коли скупчення атомів рухаються та танцюють у матеріалі певним чином протягом певного періоду – наприклад, через вібрацію чи зміну температури. Це не те явище, яке ми ще повністю розуміємо, але воно має вирішальне значення для властивостей і реакцій матеріалів. Нова надшвидка система витримки дає нам набагато більше розуміння того, що відбувається з динамічним безладом. Дослідники називають свій винахід функцією розподілу атомних пар зі змінним затвором, або скорочено vsPDF.

«Тільки за допомогою цього нового інструменту vsPDF ми можемо по-справжньому побачити матеріал з іншого боку», — каже матеріалознавець Саймон Біллінге з Колумбійського університету в Нью-Йорку. «Завдяки цій техніці ми зможемо спостерігати за матеріалом і бачити, які атоми танцюють, а які відсиджують його».

Швидша витримка робить більш точний знімок часу, що корисно для об’єктів, що швидко рухаються, наприклад атомів, що швидко тремтять. Використовуйте низьку витримку, наприклад, для фотографії спортивної гри, і ви отримаєте розмиті гравці в кадрі.

Щоб досягти неймовірно швидкої знімки, vsPDF використовує нейтрони для вимірювання положення атомів, а не звичайні методи фотографування. Шлях, яким нейтрони потрапляють і проходять крізь матеріал, можна відстежувати, щоб виміряти навколишні атоми, зі змінами рівнів енергії еквівалентно коригуванням витримки.

Ці варіації швидкості затвора є значними, а також швидкість затвора в трильйонну частку секунди: вони життєво важливі для виділення динамічного безладу з пов’язаного, але іншого статичного безладу – звичайного фонового коливання на місці атомів, які не не покращує функцію матеріалу.

«Це дає нам абсолютно новий спосіб розкрити складність того, що відбувається у складних матеріалах, приховані ефекти, які можуть посилити їхні властивості», — каже Біллінге.

У цьому випадку дослідники навчили свою нейтронну камеру на матеріал під назвою телурид германію (GeTe), який через свої особливі властивості широко використовується для перетворення відпрацьованого тепла в електрику або електрики в охолодження. Камера показала, що GeTe залишався структурованим як кристал в середньому за будь-яких температур. Але при вищих температурах він демонстрував більший динамічний безлад, коли атоми обмінювали рух на теплову енергію за градієнтом, який відповідає напрямку спонтанної електричної поляризації матеріалу.

Краще розуміння цих фізичних структур покращує наші знання про те, як працює термоелектрика, дозволяючи нам розробляти кращі матеріали та обладнання, наприклад, прилади, що живлять марсоходи, коли сонячне світло недоступне. Завдяки моделям, заснованим на спостереженнях, зроблених новою камерою, можна покращити наукове розуміння цих матеріалів і процесів. З усім тим, попереду ще багато роботи, щоб підготувати vsPDF до широко використовуваного методу тестування.

«Ми очікуємо, що методика vsPDF, описана тут, стане стандартним інструментом для узгодження локальних і середніх структур в енергетичних матеріалах», — пишуть дослідники у своїй опублікованій статті.