מדענים ברוקהייבן השתמשו בטכניקת פונקציית הפצת הזוגות האולטרה-מהירה החדשה שלהם (uf-PDF) כדי לחקור את המעבר של חומר קוונטי לשלב חומר שלא התגלה קודם לכן. הסכימה לעיל מראה כיצד קליטה של פוטון לייזר יוזמת שינוי קטן שמתפשט בחומר לאורך זמן, במקום לשנות באופן מיידי את כל החומר. קרדיט: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory
מדענים פיתחו טכניקה ליצירת סרטים אטומיים המציגים את המעבר של חומר קוונטי ממבודד למתכת, גילוי שלב חומר חדש וקידום ההבנה של תכונות החומר עם השלכות משמעותיות על עיצוב החומר.
מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) יצרו את הסרטים האטומיים הראשונים אי פעם המראים כיצד אטומים מתארגנים מחדש באופן מקומי בתוך חומר קוונטי בזמן שהוא עובר ממבודד למתכת. בעזרת הסרטים הללו, החוקרים גילו שלב חומרי חדש שמיישב ויכוח מדעי ארוך שנים ויכול להקל על עיצובם של חומרי מעבר חדשים עם יישומים מסחריים.
מחקר זה, שפורסם לאחרונה ב חומרי טבע, מסמן הישג מתודולוגי; החוקרים הוכיחו כי טכניקת אפיון חומרים הנקראת ניתוח פונקציית חלוקת זוג אטומי (PDF) אפשרית – ומוצלחת – במתקני לייזר אלקטרון חופשי (XFEL). PDF משמש בדרך כלל לניסויים במקור אור סינכרוטרון, שבמהלכם דגימות מופגזות בפולסים של קרני רנטגן. על ידי לימוד כיצד דפוסי עקיפה של קרני רנטגן משתנים לאחר אינטראקציה עם חומרים, מדענים יכולים להבין טוב יותר את תכונות החומרים הללו. אבל הניסויים האלה מוגבלים על ידי פולסי רנטגן הקצרים ביותר שניתן להפיק.
התקדמות בטכנולוגיית הדופק של רנטגן
"זה כמו מהירות תריס של מצלמה," הסביר ג'ק גריפית'ס, מחבר משותף של העיתון. "אם אתה מצלם תמונה של משהו שמשתנה מהר יותר ממהירות התריס של המצלמה שלך, התמונה שלך תהיה מטושטשת. כמו מהירות תריס מהירה, פעימות רנטגן קצרות יותר עוזרות לנו לראות חומרים משתנים במהירות ביתר פירוט". גריפית'ס היה חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצת פיזור קרני רנטגן במחלקת פיזיקה ומדעי החומר המעובה (CMPMS) של ברוקהייבן כאשר המחקר נערך וכיום הוא חוקר פוסט-דוקטורט ב-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), DOE מתקן המשתמש של Office of Science ב-Brookhaven Lab.
מקורות אור סינכרוטרון מצוינים לאפיון חומרים שאינם משתנים או חומרים המשתנים במשך דקות עד שעות, כמו סוללות בזמן הטעינה והפריקה. אבל קבוצת מדענים זו רצתה לצפות בשינויים מהותיים בסקאלות זמן של פיקו-שניות.
"קשה לדמיין כמה פיקושנייה מהירה באמת," אמר גריפית'ס. בשנייה אחת, האור יכול להסתובב סביב כדור הארץ שבע וחצי פעמים. אבל בתוך פיקושנייה אחת, האור יכול לנוע רק שליש מילימטר. "קשקשי הזמן כמעט בלתי ניתנים להשוואה."
שבירת מחסומים עם XFEL
אז, המדענים הביאו את טכניקת ה-PDF ל-XFEL שנקרא Linac Coherent Light Source (LCLS), מתקן משתמש של DOE Office of Science במעבדת האצה הלאומית של DOE של DOE, אשר מייצר פולסים בהירים וקצרים להפליא של קרני רנטגן.
"כשאתה עושה משהו בפעם הראשונה, תמיד יש את ההיבט הזה של לא ידוע. זה יכול להיות מורט עצבים אבל גם מאוד מרגש", אמר אמיל בוז'ין, הסופר האחר הראשי ופיזיקאי בקבוצת פיזור רנטגן CMPMS. "ידענו את מגבלות הליבה של הבאת PDF ל-XFEL, אבל לא ממש ידענו למה לצפות."
מחבר המחקר, סיימון בילינג', המחזיק במינוי משותף במעבדת ברוקהייבן ובאוניברסיטת קולומביה. קרדיט: טימותי לי/קולומביה הנדסה
ממצאים מהפכניים
עם "מהירות התריס" המהירה של LCLS, המדענים הצליחו ליצור סרטים המבהירים תנועה אטומית, כמו זו המתרחשת כאשר דגימת החומר הקוונטי שלהם עברה בין מתכת למבודד.
"פשוט נדהמתי מכמה שזה עבד", אמר סיימון בילינג', פיזיקאי בקבוצת פיזור קרני רנטגן ופרופסור ב- אוניברסיטת קולומביהבית הספר להנדסה ומדע יישומי.
"זה דומה לצורך באפליקציית ניווט," הוסיף בלינג'ה. "אתה יודע איפה אתה עכשיו ומה היעד שלך, אבל אתה צריך שהאפליקציה תיתן לך מסלול או כמה אפשרויות מסלול. PDF מהיר במיוחד הייתה אפליקציית הניווט שלנו."
הבנת הנתיבים האטומיים הללו היא צעד ראשון חשוב לתכנון חומרי מעבר עם מספר עצום של יישומים במחשוב, כימיה ואחסון אנרגיה. ברגע שמדענים מבינים כיצד החומרים עוברים, הם יכולים לתפעל את המסלולים האטומיים ולתכנן חומרים מותאמים ליישומים מסחריים. חומרי זיכרון מחשב, למשל, עוברים לשלב אחר כאשר קובץ נשמר. במקרה זה, חשוב שיהיו חומרים שאינם דורשים הרבה אנרגיה כדי להחליף שלבים. אבל הם גם צריכים להיות עמידים בפני החלפת פאזה לא רצויה ושחיתות נתונים לאורך תקופות זמן ארוכות.
צוות המחקר של מעבדת ברוקהייבן (משמאל לימין): לונגלונג וו, איאן רובינסון, ג'ק גריפית'ס, אמיל בוזין ומארק דין. קרדיט: קווין קופלין/מעבדה הלאומית ברוקהייבן
מאמצים מתואמים
"השגת PDF בעבודה עם XFEL הייתה תוצאה של מאמץ ארגוני עצום", אמר איאן רובינסון, מנהיג קבוצת פיזור רנטגן במעבדת ברוקהייבן ופרופסור במרכז לונדון לננוטכנולוגיה באוניברסיטת קולג' בלונדון (UCL). לדוגמה, ציין רובינסון, "תיאמנו באופן הדוק עם סבסטיאן בוט ווינסנט אספוסיטו מ-LCLS כדי לקבוע שקווי הקרניים המקרומולקולריים של קריסטלוגרפיה פמט-שנייה (MFX) היו המבטיחים ביותר עבור טכניקת ה-PDF."
הצוות כלל גם פיזיקאים מאוניברסיטת קולומביה, אוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, המעבדה הלאומית של DOE Argonne, ומועצת מתקני המדע והטכנולוגיה של בריטניה.
עם ניסויי הוכחת העיקרון המוצלחים שלהם, החוקרים היו להוטים לבדוק מעבר שלב נוסף של החומר הקוונטי, אותו חוקרים מדענים כ"מודל" לחומרים שימושיים אחרים. והעירור של החומר בדופק לייזר הוביל לתגלית מרגשת.
חשיפת שלב חומר חדש
כמו מעבר מבודד למתכת של חומר קוונטי זה, חלק מהמעברים החומרים מונעים על ידי שינויים בטמפרטורה, בלחץ או בשדה המגנטי. אבל מכיוון ששינויים סביבתיים אלה יכולים להתרחש באופן טבעי או לא מכוון, הם יכולים להיות לא אמינים עבור יישומים מסוימים. כשזה מגיע למחשוב, חשוב שהחומרים האחראים על אחסון קבצים לא יחליפו שלבים רק בגלל שהחדר נעשה חם או קר מדי.
אז, החוקרים בדקו מעברי "לא שיווי משקל", שינוי במצב החומר הנגרם על ידי טריגר אמין ומבוקר. במקרה זה, הם זרקו את החומר הקוונטי עם דופק לייזר.
למרות שאור הלייזר הפריע רק לכמה אטומים, השכנים של האטומים האלה הגיבו לשינוי. ואז השכנים של השכנים חשו בהשפעה, עד שהשינוי המקומי התפשט בכל החומר הקוונטי.
"זה היה בדיוק כמו איך רעידת אדמה על קרקעית האוקיינוס יכולה לשבש מעט מים וליצור גל שמגיע בסופו של דבר לקצה האוקיינוס", הוסיף בלינג'ה.
באמצעות PDF מהיר במיוחד, החוקרים צפו מקרוב בתנועה האטומית כשהדגימה הופצצה בפולסי לייזר. ובפעם הראשונה, הם צפו ישירות במעבר החומר הקוונטי למצב חדש שעדיין לא זוהה.
מצבים חולפים ושלבים נסתרים
"זה היה כמו לגלות שלב חדש, נסתר של חומר שאינו נגיש במהלך מעברי שיווי משקל", אמר בוזין.
התגלית של המדענים תרמה לוויכוח ארוך שנים על מה באמת קורה כאשר חומרים קוונטיים מסוימים נרגשים בלייזר; זה לא רק כמו חימום החומר, אלא יצירת מצב ביניים חולף "מטיסטי".
מעניין שהחומר היה מעורער במשך עשרות פיקושניות, "למרות שהוא התחיל והסתיים במצב מסודר", אמר גריפית'ס.
רובינסון הוסיף, "הגילוי של מצב חולף מייצג שלב חדש של החומר, שחי רק לזמן קצר. זהו סימן חיוני לכך שחומר שלא התגלה, יציב לחלוטין עשוי להיות מונח בהרכב סמוך".
מדענים להוטים לחשוף את החומרים ה"חבויים" הללו. אבל הם גם רוצים לנצל את מלוא הפוטנציאל של טכניקת ה-PDF החדשה האולטרה-מהירה.
העתיד של PDF מהיר במיוחד
"ישנן מספר צורות של מתגי פאזה מורכבים המתרחשים בחומרים קוונטיים, ואנו מתכננים לחקור אותם עם PDF מהיר במיוחד", אמר בוזין. "הבנת מעברי השלבים הללו יכולה להקל על פיתוח חומרים מסחריים. אבל הקהילה המדעית יכולה גם להשתמש בטכניקה כדי לענות על שאלות פיזיקה בסיסיות, לחקור תופעות מהירות במיוחד ולבנות מוליכים טובים יותר".
הוא הוסיף, "למרות שענינו על שאלות לגבי מסלולי מעבר חומריים, נראה כאילו פתחנו דלת במקום סגרנו."
כמו פרויקט זה, גם עתידיים לא יצליחו ללא שיתוף פעולה רב-תחומי.
שיתוף פעולה רב תחומי
"לא רק השתמשנו במתקני LCLS ב-SLAC," הסביר בלינג'ה. "האנשים שם היו גם חלק בלתי נפרד מהפיכת PDF מהיר במיוחד להצלחה."
צוות Brookhaven מוכן לייעל את טכניקת ה-PDF המהירה במיוחד, במיוחד כאשר LCLS משודרג ל-LCLS-II-HE, מה שיאפשר סרטים מולקולריים ברזולוציה גבוהה אף יותר.
"יש עניין בינלאומי להפוך את זה לטכניקה שגרתית ומוצלחת", אמר בוזין. "ואנחנו מצפים להיות חלק מזה."
הכנת הדגימות נעשתה במרכז לננו-חומרים פונקציונליים, מתקן משתמש של משרד ה-DOE Office of Science במעבדת ברוקהייבן. מדידות נוספות נלקחו ב-Advanced Photon Source, מתקן משתמש של DOE Office of Science ב-Argonne.
עבודה זו נתמכה בעיקר על ידי משרד המדע של DOE.
