Разработена е квантова микроскопия, която позволява за първи път да се записва движението на електрони на атомно ниво с изключително висока пространствена и времева разделителна способност.
Методът на физици от Университета в Щутгарт под ръководството на проф. д-р Себастиан Лот (Sebastian Loth) има потенциала да даде възможност на учените да разработват материали по много по-целенасочен начин, отколкото досега.
Изследователите са публикували своите открития в Nature Physics.
"С разработения от нас метод можем да направим видими неща, които никой досега не е виждал", заявява професор Лот, управляващ директор на Института за функционална материя и квантови технологии (FMQ) към Университета в Щутгарт. "Това дава възможност да се решат въпроси за движението на електроните в твърдите тела, които са останали без отговор от 80-те години на миналия век." Откритията на групата на Лот имат и много голямо практическо значение за разработването на нови материали.
Малки промени с макроскопични последици
В металите, изолаторите и полупроводниците физическият свят е прост. Ако промените няколко атома на атомно ниво, макроскопичните свойства остават непроменени. Например така модифицираните метали продължават да са електропроводими, докато изолаторите не са.
Ситуацията обаче е различна при по-усъвършенстваните материали, които могат да се произвеждат само в лаборатория - минималните промени на атомно ниво предизвикват ново макроскопично поведение. Например някои от тези материали внезапно се превръщат от изолатори в свръхпроводници, т.е. провеждат електричество без загуба на топлина.
Тези промени могат да се случат изключително бързо, в рамките на пикосекунди, тъй като влияят на движението на електроните през материала директно на атомно ниво. Пикосекундата е изключително кратка - само една трилионна част от секундата. Тя се намира в същото съотношение към едно мигване на окото, както мигването на окото към период от повече от 3000 години.
Записване на колективното движение на електроните
Работната група на Лот вече е намерила начин да наблюдава поведението на тези материали по време на такива малки промени на атомно ниво. По-конкретно учените са изследвали материал, състоящ се от елементите ниобий и селен, в който един ефект може да се наблюдава по относително ненарушим начин: колективното движение на електроните във вълна на плътността на заряда.
Лот и екипът му изследват как един-единствен примес може да спре това колективно движение. За тази цел изследователите от Щутгарт прилагат към материала изключително кратък електрически импулс, който трае само една пикосекунда. Вълната на плътността на заряда се притиска към примеса и изпраща в електронния колектив изкривявания с нанометрични размери, които за кратко време предизвикват силно усложнено движение на електроните в материала.
Важна предварителна работа за представените сега резултати е извършена в Института за изследване на твърдото тяло "Макс Планк" (MPI FKF) в Щутгарт и в Института за структура и динамика на материята "Макс Планк" (MPSD) в Хамбург, където Лот е провеждал изследвания преди да бъде назначен в Университета в Щутгарт.
Разработване на материали с желани свойства
"Ако успеем да разберем как се спира колективното движение на електроните, тогава ще можем да разработваме и материали с желани свойства по по-целенасочен начин", обяснява Лот. Или казано по друг начин: Тъй като не съществуват съвършени материали без примеси, разработеният микроскопски метод помага да се разбере как трябва да се подредят примесите, за да се постигне желаният технически ефект.
"Проектирането на атомно ниво има пряко въздействие върху макроскопичните свойства на материала", обяснява Лот. Ефектът може да се използва например за свръхбързи превключващи материали в бъдещи сензори или електронни компоненти.
Експеримент, повторен 41 милиона пъти в секунда
"Съществуват утвърдени методи за визуализиране на отделни атоми или техните движения", обяснява Лот. "Но с тези методи може да се постигне или висока пространствена разделителна способност, или висока времева разделителна способност."
За да може новият микроскоп в Щутгарт да постигне и двете, физикът и екипът му комбинират сканиращ тунелен микроскоп, който позволява резолюция на материалите на атомно ниво, с метод за ултрабърза спектроскопия, известен като спектроскопия с помпа-сонда.
За да се направят необходимите измервания, лабораторната установка трябва да бъде изключително добре екранирана. Вибрациите, шумът и движението на въздуха са вредни, както и колебанията в температурата и влажността на помещението.
"Това е така, защото ние измерваме изключително слаби сигнали, които иначе лесно се губят във фоновия шум", посочва Лот.
Освен това екипът трябва да повтаря тези измервания много често, за да получи значими резултати. Изследователите са успели да оптимизират своя микроскоп по такъв начин, че той да повтаря експеримента 41 милиона пъти в секунда и по този начин да постигне особено високо качество на сигнала.
"Само ние успяхме да направим това досега", отбелязва Лот.
Справка: Shaoxiang Sheng et al, Terahertz spectroscopy of collective charge density wave dynamics at the atomic scale, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02552-7
Източник: Quantum microscopy study makes electrons visible in slow motion, Jutta Witte, University of Stuttgart
Още по темата
Физика
Това откритие ще преобрази света: Първата в света рентгенова снимка на единичен атом
Технологии
IBM успя да съхрани информация върху един атом (видео)
Физика
Как се преминава през стени в квантовия свят
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари