تحولی در علم مواد/ ثبت حرکت الکترون‌ها در مقیاس اتمی برای اولین بار

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ سباستین لوت و تیم او موفق به ثبت حرکت الکترون‌ها در مواد جامد در مقیاس اتمی با دقت مکانی و زمانی بی‌سابقه‌ای شده‌اند، که پیشرفتی مهم در تحقیقات مواد به شمار می‌رود. یافته‌های آنها می‌تواند به توسعه هدفمندتر مواد جدید کمک کند، زیرا نشان می‌دهد که چگونه تغییرات اتمی بر حرکت الکترون‌ها تأثیر می‌گذارد.

لوت، مدیر مؤسسه مواد کاربردی و فناوری‌های کوانتومی (FMQ) در دانشگاه اشتوتگارت، گفت: «با روشی که ما توسعه داده‌ایم، می‌توانیم چیز‌هایی را قابل مشاهده کنیم که پیش از این کسی ندیده بود. این امکان به ما می‌دهد تا به سوالاتی درباره حرکت الکترون‌ها در جامدات که از دهه ۱۹۸۰ بی‌پاسخ مانده‌اند، پاسخ دهیم». اما یافته‌های گروه لوت همچنین از نظر عملی برای توسعه مواد جدید اهمیت زیادی دارد.

تغییرات کوچک با پیامد‌های بزرگ

در مواد فلزی، عایق‌ها و نیمه‌رساناها، جهان فیزیکی ساده است. اگر چند اتم را در سطح اتمی تغییر دهید، خواص ماکروسکوپی آنها تغییری نمی‌کند. به عنوان مثال، فلزات همچنان رسانای الکتریکی باقی می‌مانند و عایق‌ها همچنان نارسانا هستند.

اما در مواد پیشرفته‌تر که تنها در آزمایشگاه تولید می‌شوند، اوضاع متفاوت است: تغییرات کوچک در سطح اتمی می‌تواند باعث تغییرات ماکروسکوپی جدیدی شود. برای مثال، برخی از این مواد به طور ناگهانی از عایق به ابررسانا تبدیل می‌شوند، به این معنا که بدون اتلاف گرما برق را منتقل می‌کنند. این تغییرات می‌توانند بسیار سریع اتفاق بیفتند، در حد پیکوثانیه، که مستقیماً بر حرکت الکترون‌ها در مقیاس اتمی تأثیر می‌گذارند.

یک پیکوثانیه بسیار کوتاه است، فقط یک تریلیونیم ثانیه. در مقایسه با یک چشم به هم زدن، این زمان به اندازه چشم به هم زدن در مقایسه با بیش از ۳۰۰۰ سال است.

ثبت حرکت جمعی الکترون‌ها

گروه لوت اکنون راهی یافته‌اند که رفتار این مواد را در حین تغییرات کوچک در سطح اتمی مشاهده کنند. به طور خاص، دانشمندان ماده‌ای را که از عناصر نیوبیم و سلنیوم تشکیل شده است، مطالعه کرده‌اند که در آن یک اثر به طور نسبی بدون دخالت قابل مشاهده است: حرکت جمعی الکترون‌ها در یک موج چگالی بار.

لوت و تیم او بررسی کردند که چگونه یک ناخالصی می‌تواند این حرکت جمعی را متوقف کند. برای این منظور، محققان اشتوتگارت یک پالس الکتریکی بسیار کوتاه که تنها یک پیکوثانیه طول می‌کشد به ماده وارد کردند. موج چگالی بار به سمت ناخالصی فشرده می‌شود و انحرافات نانومتری به داخل حرکت جمعی الکترون‌ها ارسال می‌کند که برای مدت کوتاهی منجر به حرکت بسیار پیچیده الکترون‌ها در ماده می‌شود.

توسعه مواد با خواص مورد نظر

لوت توضیح داد: «اگر بتوانیم بفهمیم که چگونه حرکت جمعی الکترون‌ها متوقف می‌شود، می‌توانیم مواد را با خواص مورد نظر به طور هدفمندتری توسعه دهیم». یا به عبارت دیگر: از آنجایی که هیچ ماده‌ای بدون ناخالصی کامل نیست، روشی که توسعه داده‌ایم به درک بهتر نحوه توزیع ناخالصی‌ها برای دستیابی به اثرات فنی مورد نظر کمک می‌کند.

لوت گفت: «طراحی در سطح اتمی تأثیر مستقیمی بر خواص ماکروسکوپی ماده دارد». این اثر می‌تواند به عنوان مثال برای مواد کلیدزنی فوق‌العاده سریع در حسگر‌ها یا قطعات الکترونیکی آینده استفاده شود.

تکرار یک آزمایش ۴۱ میلیون بار در ثانیه

لوت گفت : «روش‌های مرسومی برای تجسم اتم‌های منفرد یا حرکت آنها وجود دارد، اما با این روش‌ها یا می‌توان به وضوح مکانی بالا یا وضوح زمانی بالا دست یافت». برای اینکه میکروسکوپ جدید اشتوتگارت بتواند به هر دو دست یابد، فیزیکدان و تیم او میکروسکوپ تونلی روبشی را که مواد را در مقیاس اتمی تحلیل می‌کند، با یک روش طیف‌سنجی فوق سریع به نام طیف‌سنجی پمپ-پروب ترکیب کرده‌اند.

برای انجام اندازه‌گیری‌های لازم، چیدمان آزمایشگاهی باید به شدت محافظت شود. لرزش‌ها، صدا‌ها و حرکت هوا مخرب هستند، همان‌طور که نوسانات دما و رطوبت اتاق نیز مضرند.

لوت گفت: «ما سیگنال‌های بسیار ضعیفی را اندازه‌گیری می‌کنیم که در غیر این صورت به راحتی در نویز پس‌زمینه از دست می‌روند».

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی باید این اندازه‌گیری‌ها را بسیار تکرار کنند تا نتایج معناداری به دست آورند. محققان توانستند میکروسکوپ خود را به گونه‌ای بهینه‌سازی کنند که آزمایش را ۴۱ میلیون بار در ثانیه تکرار کند و به این ترتیب به کیفیت سیگنال بسیار بالایی دست یابند.

لوت در پایان گفت: «تا کنون تنها ما موفق به انجام این کار شده‌ایم».

انتهای پیام/