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从绝缘体到金属的原子路径比思想更混乱

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-02-08浏览次数:1135

研究人员已经看到了二氧化钒超快相变的幕后故事,发现其原子剧比他们想象的要复杂得多。几十年来,这种材料因其从电绝缘体转变为导体的能力而深受科学家们的青睐。

该研究发表在11月2日的“科学”杂志上,是杜克大学研究人员,斯坦福大学SLAC国家加速器实验室,巴塞罗那科学技术研究所,橡树岭国家实验室和日本同步辐射研究所的合作。研究人员对二氧化钒进行了50多年的深入研究,因为二氧化钒具有在152华氏度的方便温度下从绝缘体转换为导体的独特能力。虽然其他材料能够实现这种转变,但大多数都远低于室温,使二氧化钒成为实际应用的更好选择。

最近,材料科学家们探索了当材料的原子结构被非常短的超快激光脉冲激发时,如何发生相同的相变。这是如此具有挑战性的原因是它发生得非常快 - 大约100飞秒。这是十分之一秒的十分之一。然而,SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)的超高亮X射线脉冲甚至更快。研究人员第一次能够通过用飞秒激光触发二氧化钒的电相变,然后用几十飞秒的X射线脉冲瞄准原子来完全理解过渡。他们发现钒原子不是以直接,合作的方式从一个原子结构转换到另一个原子结构,而是通过更不可预测的路径到达目的地并且彼此独立。

杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delair说:“已经提出通过明确,明确的重组将材料从一种晶体结构转移到另一种晶体结构。晶体结构。” “相反,我们发现即使在转变过程中,每个原子都独立于其他原子而独立存在。” “我们发现的疾病非常强烈,这意味着我们必须重新思考我们如何研究所有这些材料,我们相信这些材料是统一的,”巴塞罗那光子学研究所副教授西蒙沃尔说。研究的领导者。

“他们没有进入他们的新位置,就像乐队成员在一个场地上行进一样;当他们关闭时,他们离开了酒吧,就像成员一样,”沃尔说。 “如果我们的最终目标是控制这些材料的行为,以便我们可以将它们从一个阶段切换到另一个阶段,那么控制醉酒合唱团比行进乐队更难以控制。”为了揭示实验观察的意义,Lake的团队在杜克还带领超级计算机模拟原子动力学。这些模拟是在国家能源研究科学计算中心和橡树岭领导计算机构的超级计算机上进行的。 “当我的学生山阳向我展示她对原子运动进行量子模拟的结果时,真的很令人兴奋,”Delil继续道。 “它几乎完全匹配实验'电影'的录制X射线强度,即使不需要可调参数。”

以前的研究未能获得LCLS提供的空间和时间分辨率,并且只能测量材料的原子行为的平均值。由于这些限制,他们无法看到随机偏离钒原子平均运动的重要性。然而,凭借LCLS的敏感性,研究人员可以更清楚地了解正在发生的事情。 “这有点像天文学家研究夜空,”德雷尔说。 “以前的研究只看到肉眼可以看到最亮的星星。但是,通过超亮和超快的X射线脉冲,我们能够看到它们之间银河系的弱信号和弥漫信号。“

这个和其他类似的研究是理解光激发材料行为的关键。例如,如果使用得当,本研究中公开的二氧化钒的原子反应可以构成组合光子和电子的计算机的超快晶体管的基础。研究人员也在追求室温超导体的梦想中使用这一概念。 “我们在二氧化钒的光电绝缘体到金属转变中获得的新知识应该与重新评估我们对其他材料的理解直接相关,”Delaire说。 “我们刚刚开始探索可以通过照亮它们来控制材料行为的新领域,并结合最先进的X射线设备和超级计算机来跟踪正在发生的事情。我们正在重新发现所涉及的原子动力学,而不是之前的想法。这要复杂得多。“