Tin tức Deeper

Các pha ‘ẩn’ của vật chất được bộc lộ qua sức mạnh của ánh sáng

Ngày:
Th6 15, 2019
Tóm lược:

Nghiên cứu hóa học mới cho thấy các pha vật chất ‘ẩn’ có thể được kích hoạt bằng các xung ánh sáng cực nhanh. Bước đột phá khoa học cơ bản này mở đường cho việc tạo ra các vật liệu có thể thấm nhuần các tính chất mới, chẳng hạn như dẫn điện hoặc làm cho nó có từ tính.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Một nghiên cứu mới cho thấy một giai đoạn ẩn giấu của người Viking về strontium titanate. Ở bên trái, các xung ánh sáng cực nhanh kích thích các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể (mũi tên đỏ), làm cho vật liệu chuyển sang giai đoạn mới, sắt điện. Rung động của các nguyên tử khác sau đó hoạt động để ổn định pha ẩn (bảng bên phải). (Ảnh: Felice Macera)
Một nghiên cứu mới cho thấy một giai đoạn ẩn giấu của người Viking về strontium titanate. Ở bên trái, các xung ánh sáng cực nhanh kích thích các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể (mũi tên đỏ), làm cho vật liệu chuyển sang giai đoạn mới, sắt điện. Rung động của các nguyên tử khác sau đó hoạt động để ổn định pha ẩn (bảng bên phải). (Ảnh: Felice Macera)

Hầu hết mọi người nghĩ về nước như tồn tại chỉ trong một trong ba giai đoạn: Nước đá rắn, nước lỏng hoặc hơi khí. Nhưng vật chất có thể tồn tại trong nhiều pha khác nhau – ví dụ, băng có hơn mười pha đã biết, hoặc cách mà các nguyên tử của nó có thể được sắp xếp theo không gian. Việc sử dụng rộng rãi các vật liệu áp điện, như micro và siêu âm, có thể là nhờ sự hiểu biết cơ bản về cách một lực bên ngoài, như áp suất, nhiệt độ hoặc điện, có thể dẫn đến sự chuyển pha pha các vật liệu có tính chất mới.

Một nghiên cứu mới phát hiện ra rằng một oxit kim loại có pha “ẩn”, một chất mang lại cho vật liệu mới, tính chất sắt, khả năng phân tách các điện tích dương và âm, khi nó được kích hoạt bởi các xung ánh sáng cực nhanh. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu MIT Keith A. Nelson, Xian Li, và Edoardo Baldini, hợp tác với Andrew M. Rappe và sinh viên tốt nghiệp Penn Tian Qiu và Jiahao Zhang. Những phát hiện đã được công bố trên Science .

Công việc của họ mở ra cánh cửa để tạo ra các vật liệu nơi người ta có thể bật và tắt các thuộc tính trong một phần nghìn giây với một cái công tắc, giờ đây với khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều. Ngoài việc thay đổi điện thế, phương pháp này có thể được sử dụng để thay đổi các khía cạnh khác của vật liệu hiện có – ví dụ, biến một chất cách điện thành kim loại hoặc lật cực từ của nó.

“Nó đang mở ra một chân trời mới cho việc cấu hình lại vật liệu chức năng nhanh chóng,” Rappe nói.

Nhóm nghiên cứu strontium titanate, một vật liệu điện được sử dụng trong các dụng cụ quang học, tụ điện và điện trở. Strontium titanate có cấu trúc tinh thể đối xứng và không phân cực, có thể được “đẩy” vào pha với cấu trúc tứ cực, cực với một cặp ion tích điện trái dấu dọc theo trục dài của nó.

Sự hợp tác trước đây của Nelson và Rappe đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu mới này, dựa trên kinh nghiệm của Nelson sử dụng ánh sáng để tạo ra sự chuyển pha trong vật liệu rắn cùng với kiến ​​thức của Rappe trong việc phát triển các mô hình máy tính cấp nguyên tử.

“[Nelson là] nhà thực nghiệm, và chúng tôi là nhà lý thuyết,” Rappe nói. “Anh ta có thể báo cáo những gì anh ta nghĩ đang xảy ra dựa trên quang phổ, nhưng việc giải thích chỉ mang tính suy đoán cho đến khi chúng tôi cung cấp một sự hiểu biết vật lý mạnh mẽ về những gì đã xảy ra.”

Với những cải tiến gần đây về công nghệ và kiến ​​thức bổ sung thu được từ việc làm việc với tần số terahertz, hai nhà hóa học đã đặt ra để xem liệu lý thuyết của họ, giờ đã hơn một thập kỷ, có đúng hay không. Thách thức của Rappe là bổ sung cho các thí nghiệm của Nelson với một phiên bản chính xác của strontium titanate, với mỗi nguyên tử được theo dõi và đại diện, phản ứng với ánh sáng giống như vật liệu được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Họ phát hiện ra rằng khi strontium titanate bị kích thích với ánh sáng, các ion bị kéo theo các hướng khác nhau, với các ion tích điện dương di chuyển theo một hướng và các ion tích điện âm theo hướng khác. Sau đó, thay vì các ion ngay lập tức rơi trở lại vị trí, cách con lắc sau khi được đẩy, các chuyển động rung động trong các nguyên tử khác ngăn không cho các ion quay lại ngay lập tức.

Như thể con lắc, tại thời điểm nó đạt đến độ cao cực đại dao động của nó, bị lệch một chút khỏi hướng mà một cái rãnh nhỏ giữ nó ở vị trí cách xa vị trí ban đầu của nó.

Nhờ lịch sử hợp tác mạnh mẽ của họ, Nelson và Rappe đã có thể quay lại từ các mô phỏng lý thuyết đến các thí nghiệm, và ngược lại, cho đến khi họ tìm thấy bằng chứng thực nghiệm cho thấy lý thuyết của họ là đúng.

“Đó là một sự hợp tác thực sự tuyệt vời”, ông Nelson nói. “Và nó minh họa cách các ý tưởng có thể sôi sục và sau đó trở lại đầy đủ lực lượng sau hơn 10 năm.”

Hai nhà hóa học sẽ hợp tác với các kỹ sư về nghiên cứu hướng đến các ứng dụng trong tương lai, chẳng hạn như tạo ra các vật liệu mới có các pha ẩn, thay đổi các giao thức xung ánh sáng để tạo ra các pha kéo dài hơn và xem cách tiếp cận này hoạt động đối với vật liệu nano. Hiện tại, cả hai nhà nghiên cứu đều vui mừng về kết quả của họ và nơi mà bước đột phá cơ bản này có thể dẫn đến trong tương lai.

“Đó là ước mơ của mọi nhà khoa học: Nở ra một ý tưởng cùng với một người bạn, vạch ra hệ quả của ý tưởng đó, sau đó có cơ hội dịch nó thành một thứ gì đó trong phòng thí nghiệm, nó vô cùng hài lòng. Nó khiến chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi ‘ đang đi đúng hướng trong tương lai, “Rappe nói.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, Bộ tài trợ năng lượng DE-SC0019126 và DE-FG02-07ER46431 và Quỹ nghiên cứu khoa học quốc gia Thụy Sĩ P2ELP2-172290. Hỗ trợ tính toán được cung cấp bởi Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia của Bộ năng lượng.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Pennsylvania . Bản gốc được viết bởi Erica K Brockmeier. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Xian Li, Tian Qiu, Jiahao Zhang, Edoardo Baldini, Jian Lu, Andrew M. Rappe, Keith A. Nelson. Trường Terahertz quy nạp điện sắt trong điện môi lượng tử SrTiO3 . Khoa học , 2019 DOI: 10.1126 / khoa.aaw4913

Bài viết liên quan

Bài viết khác