Kaksoisraon koe atomitasolla

Kuuluisa kaksoisrakokoe, joka alun perin suoritettiin 1800-luvun alussa, tarjosi uraauurtavan todisteen valon aaltoluonteesta. Siitä lähtien aaltojen interferenssistä on tullut tehokas mittaustekniikka kaikissa fysikaalisissa tieteissä.

Tällaiset kokeet tehdään kuitenkin tyypillisesti mikroskooppisilla tai jopa makroskooppisilla raoilla, eikä tiettyihin atomien kohteisiin ole ollut mahdollista kohdistaa mittauksia.

Nature- lehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa Tokion yliopiston tutkijat Wienin yliopiston fyysikon Toma Susin tuella kehittivät uuden tavan saavuttaa kaksoisrakointerferenssi piin atomipinoista fokusoidun elektronisuihkun avulla.

Kiteiden atomit sijaitsevat säännöllisissä pylväissä, jotka voivat toimia kuin sisäänrakennetut raot, joiden välinen etäisyys on tunnettu ja hyvin määritelty. Pyyhkäisyelektronimikroskopian (STEM) edistysaskeleet mahdollistavat erittäin terävän elektronisuihkun kohdistamisen vain kahteen atomiin ja yksityiskohtaisten diffraktiokuvioiden tallentamisen kussakin pisteessä.

Tätä lähestymistapaa käyttämällä tutkijat osoittavat, että piikide todella toimii kaksoisraon tavoin atomitasolla. Johtava kirjoittaja Koudai Tabata Tokion yliopistosta huomauttaa: "Emme odottaneet, kuinka paljon tietämystä reunukset-hapsut juoviin itsessään kantavat: tutkimalla niiden näkyvyyttä yksityiskohtaisesti pystyimme lukemaan, kuinka läheiset naapuriatomit liikkuvat samaan suuntaan värähtelyssään."

Yllättäen nämä interferenssijuovat pysyivät selkeinä, vaikka näytettä lämmitettiin huoneenlämmöstä 900 K:n lämpötilaan, mikä paljasti, että vain tietyt atomien värähtelyt sumentavat kuviota, kun taas toiset jättävät sen ehjäksi. Keskeinen havainto oli, että lähellä olevat atomit eivät värähtele täysin satunnaisesti, vaan usein liikkuvat synkronoidusti, mikä tarkoittaa, että niiden värähtelyt korreloivat keskenään.

Analysoimalla, miten juovat muuttuvat eri suuntiin, tutkimusryhmä pystyi selvittämään, mitkä atomien liikkeet ovat jäykempiä (sidoksen suuntaisesti) ja mitkä pehmeämpiä (sivusuunnassa), lukien tehokkaasti paikallisen sidoksen lujuuden itse kuviosta.

Laajalti käytetyn STEM-mikroskoopin kehittäminen atomitason interferometriksi muuttaa itse diffraktiokuvion korreloivien värähtelyjen suoraksi luotaimeksi. Koska tämä lähestymistapa voi kohdistua tiettyihin atomipareihin, sitä voitaisiin käyttää sidosten tutkimiseen vioiss, rajapinnoilla ja raerajoilla.

Tuloksena on täysin uusi tapa nähdä, millä värähtelyillä on eniten merkitystä ja miten mikroskooppiset liikkeet muokkaavat arkipäiväisten materiaalien käyttäytymistä. Tutkimusryhmän vanhempi kirjoittaja Naoya Shibata Tokion yliopistosta päättelee: "Uskomme, että tämä työ avaa uusia mahdollisuuksia atomiresoluutioelektronimikroskopialle. Tulevaisuudessa pyrimme soveltamaan tätä lähestymistapaa useisiin materiaalitieteellisiin ongelmiin, kuten rajapintojen tutkimukseen."

Aiheesta aiemmin:

Kaksoisraon koe paljastaa uusia syvyyksiä

Kaksoisraon koe nyt myös äänellä