Metastabiilia tilaa metsästäen

Argonnen kansallisen laboratorion tutkijat osana yliopistojen ja kansallisten laboratorioiden monitoimiryhmää tutkivat materiaalia, jolla on erittäin epätavallinen rakenne – materiaali, joka muuttuu dramaattisesti, kun se altistuu ultranopealle laservalopulssille.

Pulssin jälkeen materiaali joutuu eksoottiseen tilaan, jossa se ei ole tasapainossa eikä vakaa. Nämä metastabiileiksi kutsutut tilat ovat jännittävä ja pitkälti tutkimaton ilmiö materiaalitieteessä, ja niille voisi löytyä käyttöä datan tallentamisessa ja käsittelyssä.

Tutkijaryhmä loi metastabiilin tilan vuonna 2019 ja luonnehtivat sitä ennen ja jälkeen siirtymän. Nyt kehittyneiden röntgen- ja ultranopeiden laserominaisuuksien yhdistelmän avulla heidän viimeisimmät kokeensa paljastavat materiaalin rakenteen kehityksen siirtymän aikana.

"Suurin osa teknologiassa käytetyistä materiaaleista on tasapainossa - tai alhaisimman energian tilassa -, jotta tekniikka voi toimia luotettavasti ilman villejä suorituskyvyn vaihteluita", sanoi, Penn Staten professori Venkatraman Gopalan." Tämä on kuitenkin hyvin rajoittavaa, koska hämmästyttävät ominaisuudet voivat väijyä juuri muualla kuin tasapainotilassa."

Haasteena on, että epätasapainotilat ovat yleensä lyhytikäisiä. Metastabiilit tilat ovat sen sijaan epätasapainotiloja, jotka säilyvät hyvin pitkään. Esimerkiksi timantti on metastabiili hiilen tila. Sanomme, että ne ovat ikuisia, mutta miljardien vuosien kuluessa timantit hajoavat grafiitiksi, vakaammaksi hiilen tilaksi.

Kokeiden kohteena oli näyte, jossa ferrosähköiset ja ei-ferrosähköiset kerrokset vuorottelevat. Eri kerrosten sisällä olevien elektronien konfiguraatiot kilpailevat keskenään, mikä johtaa materiaalin poikki pyöriviin elektronirakenteen pyörteisiin. Tämä sisäinen turhautuminen estää reitit, joita myöten materiaali saattaisi muuten palata laserpulssivirityksen jälkeen tasapainoon.

Kun laserpulssin fotonit tai valohiukkaset osuvat kerroksisen materiaalien atomeihin, esiin tulee joukko vapautuneita elektroneja eli valonkantajia jotka sitten mahdollistavat järjestelmän muutoksen.

Triljoonasosassa sekunnissa laserpulssin jälkeen valokantajien viritys saa näytteen siirtymään tutkijoiden keittofaasiksi nimeämään tilaan." Järjestys on tavallaan sulamassa tässä vaiheessa", Wen sanoi. Alkuperäinen pyörteiden kuvio alkaa heikentyä ja väistyy kuumalle ja varautuneelle kaoottiselle sohjolle.

Noin sekunnin miljardisosaa myöhemmin keitto alkaa jäähtyä ja lopullinen rakenne alkaa muodostua samalla tavalla kuin sokerikiteitä voi muodostua sokeriliuoksesta. Lopullinen tila on vieläkin järjestyneempi rakenne, jota kutsutaan superkiteeksi, kide, joka koostuu monista pienemmistä kiteistä.

"Pyörteet ovat edelleen olemassa lopullisessa tilassa, mutta ne ovat kierretty hyvin eri tavalla", sanoi Argonnen fyysikko John Freeland,." Odottamatonta on, että järjestelmä on järjestyneempi kuin aloittaessanne, mikä ei ole yleistä näissä kokeissa."

Parempi ymmärrys metastabiilien tilojen muodostumisesta ja käyttäytymisestä voisi johtaa uusien materiaalien ja laitteiden kehittelyyn.

Esimerkiksi metastabiilit faasimuutokset voivat johtaa epätavallisiin elektronisiin maisemiin materiaalien sisällä. Näiden poikkeuksellisten tilojen käyttäminen informaation esittämiseen uusilla ja monimutkaisilla tavoilla saattaa jonain päivänä parantaa informaation tallennuksen ja käsittelyn tehokkuutta.

Aiheesta aiemmin:

Magnetismia 2D-rajalla

Parempi akku horisontissa