Чтобы сделать снимок, лучшие цифровые камеры открывают затвор примерно на одну четырехтысячную долю секунды. Чтобы запечатлеть атомную активность, понадобится затвор, который работает намного 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 что-то очень важное в материаловедении: динамический беспорядок.
Проще говоря, это когда кластеры атомов перемещаются и танцуют в материале определенным образом в течение определенного периода времени, например, вызванные вибрацией или изменением температуры. Это явление ученые еще не полностью понимают, но оно имеет решающее значение для свойств и реакций материалов.
Новая система сверхбыстрой выдержки дает 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 этим новым инструментом vsPDF мы можем по-настоящему увидеть эту сторону материалов», — говорит Саймон Биллиндж 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 съемки быстро движущихся объектов, таких как быстро дрожащие атомы.
Чтобы добиться удивительно 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 с изменениями уровней энергии, эквивалентными регулировке скорости затвора.
Эти различия в выдержке значительны, так же как и выдержка в триллионную долю секунды: они жизненно важны для выделения динамического беспорядка из связанного с ним, но отличающегося от него статического беспорядка — обычного фонового покачивания 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 Саймон Биллиндж.
В исследовании ученые настроили свою нейтронную камеру на материал под названием теллурид германия (GeTe), который благодаря своим особым свойствам широко используется для преобразования отработанного тепла в электричество или электричества в охлаждение.
Камера показала, что GeTe в среднем оставался кристаллическим при всех температурах. Но при более высоких температурах он демонстрировал более динамический беспорядок, когда атомы обменивали движение на тепловую энергию, следуя градиенту, который соответствует направлению спонтанной электрической поляризации материала.
Лучшее понимание этих физических структур расширяет наши знания о том, как работает термоэлектричество, что позволяет разрабатывать более качественные материалы и оборудование, например, приборы, приводящие в действие марсоходы, когда солнечный свет недоступен.
С помощью моделей, основанных на наблюдениях, сделанных новой камерой, можно улучшить научное понимание этих материалов и процессов. Однако предстоит еще много работы, чтобы подготовить vsPDF к широко используемому методу тестирования.