Изображение: DELAIRE GROUP/DUKE UNIVERSITY
Впервые ученые получили подробное представление о том, как атомы в соединении, называемом диоксидом ванадия, движутся, когда сверхбыстрый лазерный импульс преобразует материал из электрического изолятора в проводник — и это не похоже на ожидаемые эффекты.
Вместо того, чтобы переключаться с одного кристаллообразования на другое прямым, синхронизированным образом, атомы смещаются вокруг беспорядочно, больше похожи на неуклюжих танцоров. Это новое понимание внутренней работы двуокиси ванадия, дает ученым ценную информацию, которые пытаются использовать двойную природу соединения и других подобных ему для новых технологий.
Ученые в течение десятилетий были очарованы природой перехода диэлектрик-металл на основе двуокиси ванадия, который происходит, когда материал нагревается выше 67°C или при попадании на него сверхбыстрого лазерного импульса. Но это явление трудно изучать, потому что оно происходит примерно в 150 фемтосекунд.
Другие эксперименты, которые включали воздействие на атомы двуокиси ванадия лазерным лучом, измеряли только средние движения атомов во время этой трансформации. Эти общие тенденции предполагали плавный переход от одного кристаллического образования к другому, но не были достаточно подробными, чтобы выявить небольшие отклонения в движении атомов.
Мариано Триго, физик Национальной лаборатории ускорителей SLAC в Менло-Парке, Калифорния, и его коллеги более подробно рассмотрели соединение с использованием ультракоротких импульсов рентгеновского излучения. После воздействия на образец диоксида ванадия сверхбыстрой вспышкой лазерного излучения, чтобы вызвать его переход между изолятором и металлом, исследователи также воздействовали с помощью серии импульсов рентгеновского излучения, каждая из которых составляла несколько десятков фемтосекунд.
Это рентгеновское излучение рассеивается от атомов в материале, выявляя положение частиц во время каждого импульса, объясняет соавтор исследования Оливье Делер, материаловед из Университета Дьюка. Импульсы были настолько быстрыми и интенсивными, что они отслеживали движения атомов гораздо точнее и через более короткие промежутки времени, чем в других экспериментах.
Эти атомные снимки выявили сумбурное движение атомов ванадия от одной кристаллической структуры к другой. Моделирование суперкомпьютерами атомов ванадия, перестраивающихся таким образом, воспроизводило практически точные модели рассеяния рентгеновских лучей в качестве эксперимента.
Внезапный переход диоксида углерода на основе двуокиси ванадия может когда-нибудь стать основой сверхскоростных электронных компонентов или устройств, которые эксплуатируют странную связь диоксида ванадия со светом и электричеством для эффективного нагрева и охлаждения. Понимание внутренней структуры этого материала может помочь инженерам лучше контролировать его свойства.
Техника, которую команда ученых использовала для исследования диоксида ванадия, также может помочь ученым изучать другие материалы, которые меняют характеристики под воздействием лазерного излучения Они могут включать материалы, которые переключают магнитные свойства или становятся сверхпроводниками и передают электричество без сопротивления.
S. Wall et al. Ultrafast disordering of vanadium dimers in photoexcited VO2. Science. Vol. 362, November 2, 2018, p. 6414. doi:10.1126/science.aau3873.