Supercrystal. Staid nua ábhair a chruthú

D'úsáid foireann taighdeoirí ó roinnt institiúidí ar fud na SA buille solais léasair chun foirm nua chobhsaí ábhair a chruthú - supercrystal.

D'úsáid foireann taighdeoirí faoi stiúir Penn State agus Saotharlann Náisiúnta Argonne, in éineacht le hOllscoil California, Berkeley, agus dhá shaotharlann náisiúnta eile “Frustration” - an smaoineamh córas a chosc ó fhilleadh ar staid nádúrtha - móide buille léasair éadrom chun “supercrystal” cobhsaí, ard-ordaithe a fhorbairt.

Tá sé ar cheann de na chéad samplaí de staid nua ábhair le cobhsaíocht fhadtéarmach arna trasfhoirmiú ag an bhfuinneamh ó chuisle léasair fo-phicosecond. Is é aidhm an taighde - a foilsíodh in Nature Materials - staid ábhair spéisiúla a fháil le hairíonna neamhghnácha nach bhfuil ann i gcothromaíocht sa nádúr.

Deir ceannaire foirne Penn State, Venkatraman Gopalan, ollamh le heolaíocht ábhair: “Táimid ag lorg cúrsaí ceilte ar ábhar tríd an ábhar a thógáil amach as a riocht compordach, a dtugaimid an stát talún air.

“Déanaimid é seo trí na leictreoin a spreagadh i riocht níos airde ag úsáid fótóin, agus ansin ag breathnú de réir mar a thiteann an t-ábhar ar ais go dtí a ghnáthstaid. Is é an smaoineamh go bhfaighidh muid airíonna sa stát corraithe, nó i stát a dtéann sí tríd chun súil a shlogadh ar an mbealach go stát na talún, mar fhoirmeacha nua polacha, maighnéadacha agus stáit leictreonacha. "

Is trí theicníc caidéil-probe a aimsítear na stáit seo nuair a lasann léasair fótón de sholas gorm ag an sampla le haghaidh 100 femtosecond. Scaoileann an solas caidéil na leictreoin i riocht fuinnimh níos airde agus leanann solas probe go tapa é, buille bíog solais a léann staid an ábhair.

Ba é an dúshlán a bhí roimh an bhfoireann bealach a aimsiú chun staid idirmheánach an ábhair a choinneáil toisc go bhféadfadh an stát a bheith ann ar feadh codán beag bídeach de shoicind sula n-imíonn sé as. Is é an rud a fuair an fhoireann amach, ná go bhfuil an supercrystal sáite sa stát sin go deo ag teocht an tseomra.

Rugadh frustrachas air

Déanann Gopalan an dúshlán seo a chur i gcomparáid le liathróid a sheoladh ag rolladh síos taobh sléibhe. Ní thiocfaidh sé chun sosa go dtí go sroichfidh sé bun an tsléibhe mura bhfaigheann rud éigin a bhealach, abair leac. Chuir an fhoireann é seo i gcrích trí “frustrachas a chur ar an gcóras” - gan ligean don ábhar gach rud a theastaíonn uaidh a dhéanamh, is é sin ligean dó a fhuinneamh a íoslaghdú go hiomlán gan srianta.

Íomhá 3D de supercrystal ó insamhaltaí réimse céime ag úsáid na mbogearraí μ-PRO (LQ Chen Group, Penn State)

Rinne na taighdeoirí é seo trí shraitheanna adamhacha aonair de dhá ábhar a úsáid, titanáit luaidhe agus titanáit strointiam, arna chruachadh i sraitheanna ailtéarnacha ar bharr a chéile chun struchtúr tríthoiseach a thógáil suas. Is ferroelectric é titanate luaidhe, ábhar polarach a bhfuil polarú leictreach ann as a dtagann cuaillí leictreacha dearfacha agus diúltacha san ábhar. Ní ábhar ferroelectric é titanate strointiam. Chuir an neamhréir seo iallach ar na veicteoirí polaraithe leictreacha cosán mínádúrtha a thógáil, ag cromadh siar orthu féin chun vortices a dhéanamh, cosúil le huisce ag snámh síos draein.

D’fhás foireann Berkeley na sraitheanna seo ar bharr foshraithe criostail a raibh a gcriostal idirmheánach i méid idir an dá ábhar sraithe. Chuir sé seo an dara leibhéal “frustrachais” ar fáil de réir mar a rinne an ciseal tíotáiniam strointiam iarracht síneadh chun cloí le struchtúr criostail an tsubstráit, agus b’éigean don titanáit luaidhe comhbhrú chun cloí leis. Chuir sé seo an córas iomlán i riocht íogair ach “frustrach” agus dáileadh iliomad céimeanna go randamach sa toirt.

Ag an bpointe seo, rinne na taighdeoirí zapped an t-ábhar le buille léasair - a dhumpálann muirir saor in aisce san ábhar, ag cur fuinneamh leictreach breise leis an gcóras, agus é á thiomáint isteach i staid nua ábhair, supercrystal. Tá cill aonaid ag na sár-chriostail seo - an t-aonad athrá is simplí i gcriostal - i bhfad níos mó ná aon ghnáthchriostail neamhorgánach, le toirt milliún uair níos mó ná cealla aonaid an dá ábhar bunaidh. Faigheann an t-ábhar an stát seo as féin.

Murab ionann agus stáit neamhbhuana, fanann an stát supercrystal seo ag teocht an tseomra go deo - bliain ar a laghad sa staidéar seo - mura ndéantar é a théamh go dtí thart ar 350 céim Fahrenheit san áit a ndéantar é a scriosadh. Is féidir an próiseas a athdhéanamh tríd an ábhar a bhualadh le buille éadrom agus é a scriosadh ag úsáid teasa. Ní féidir an stát seo a chruthú ach le bíoga léasair ultrashort a bhfuil íosmhéid fuinnimh tairsí acu, agus ní tríd an bhfuinneamh sin a scaipeadh amach thar bíoga fada.

D'úsáid an fhoireann díraonadh x-gha ardfhuinnimh chun an supercrystal a scrúdú sula bhfoirmíonn sé agus ina dhiaidh sin, ag taispeáint go soiléir an claochlú ó ábhar neamhoirdithe go supercrystal.

Radharc sármhaith lasnairde ar Shaotharlann Náisiúnta Argonne, áit a ndearnadh cuid den taighde supercrystal (Saotharlann Náisiúnta Argonne)

Deir Vlad Stoica, scoláire iardhochtúireachta a roinntear i gcomhpháirt idir Penn State agus Saotharlann Náisiúnta Argonne, agus príomhúdar an pháipéir: “De bhua a ré bíge gearr, cuireann léasair ultrafast impitations in ábhair níos gasta ná a gcuid ama freagartha intreach. .

“Cé go ndearnadh iniúchadh cheana ar na claochluithe dinimiciúla sin ar feadh na mblianta chun ord na n-ábhar a spreagadh, ba chosúil go raibh straitéis maidir lena gcobhsú seasta-stáit sroichte go dtí seo."

D'úsáid taighdeoirí Argonne díraonadh X-gha ardtaifigh in éineacht le híomháú ar leibhéal na nanascála chun éabhlóid an atheagraithe struchtúrtha dochúlaithe a urramú.

Leanann Stoica ar aghaidh: “Den chéad uair, thugamar faoi deara gur féidir le hionradaíocht bíog léasair ultrafast amháin d’ábhar polarach atá srathaithe go saorga foirfeacht struchtúrach fadraoin a spreagadh agus é ag tosú ó neamhord coibhneasta.

“Spreag an taispeántas turgnamhach seo forbairtí teoiriciúla cheana féin agus tá impleachtaí tábhachtacha aige maidir le réadú nana-ábhar saorga nach féidir a bhaint amach trí dhéantús traidisiúnta."

Is eolaí foirne é John Freeland ag Argonne National Lab a scríobh Cruthú Optúil Supercrystal le Tréimhsiúlacht Trí-Thoiseach Nanoscale. Deir sé: “Thug an teaglaim de X-ghathanna agus foinsí optúla ultra-tapa ag an Advanced Photon Source an deis is fearr dúinn struchtúr nanoscale an supercrystal a iniúchadh, chomh maith leis an gcumas a thuiscint cén fáth go bhféadfaí an t-ábhar a athrú arís agus arís eile ó stáit ordaithe go stáit neamhoirdithe.

“Thug an fhaisnéis seo, mar aon leis an samhaltú, léargas an-domhain dúinn ar an bhfisic atá taobh thiar de chruthú na céime nua seo."

Deir Long-Qing Chen, a rinne a ghrúpa teoirice ag Penn State ríomhanna ríomhaireachta ag baint úsáide as mu-PRO pacáiste bogearraí réimse céime a rinne insamhladh dlúth ar na torthaí turgnamhacha: “Is iontach an rud é go raibh ár n-insamhaltaí réimse céime in ann na trí cinn a thuar- íomhánna fíor-spáis tríthoiseach de supercrystal a bhfuil a bpatrúin díraonta comhoiriúnach go ginearálta leis na patrúin turgnamhacha, agus chun raon coinníollacha teirmidinimice a aithint do chobhsaíocht an supercrystal.

“Tá staidéir chomhtháite turgnamhacha agus ríomhaireachta den sórt sin thar a bheith úsáideach agus táirgiúil."

Taighde bunaidh a foilsíodh in eagrán 18 Márta de Nature Materials