Discovery позволяет ученым взглянуть на то, как двумерные материалы движутся со сверхбыстрой точностью.
Используя невиданную ранее технику, ученые нашли новый способ использования некоторых из самых мощных в мире рентгеновских лучей, чтобы раскрыть, как атомы движутся в одном атомном листе со сверхбыстрой скоростью.
В исследовании, проведенном исследователями из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и в сотрудничестве с другими учреждениями, включая Вашингтонский университет и Национальную ускорительную лабораторию SLAC Министерства энергетики США, была разработана новая методика, называемая сверхбыстрым поверхностным рентгеновским рассеянием. Этот метод выявил изменение структуры атомарно тонкого двумерного кристалла после его возбуждения оптическим лазерным импульсом.
«Расширение [поверхностного рассеяния рентгеновских лучей] для создания сверхбыстрой науки в однослойных материалах представляет собой серьезный технологический прогресс, который может показать нам многое о том, как атомы ведут себя на поверхностях и на границах раздела материалов», — сказал ученый из Аргонна Хайдан Вен.
В отличие от предыдущих методов поверхностного рентгеновского рассеяния, этот новый метод выходит за рамки предоставления статической картины атомов на поверхности материала для захвата движений атомов в таких временных масштабах, как триллионные доли секунды после лазерного возбуждения.
Статическое поверхностное рентгеновское рассеяние и некоторое зависящее от времени поверхностное рентгеновское рассеяние можно выполнять на синхротронном рентгеновском источнике, но для сверхбыстрого поверхностного рентгеновского рассеяния исследователям необходимо было использовать источник когерентного света Linac (LCLS) X лазер на свободных электронах в SLAC. Этот источник света обеспечивает очень яркое рентгеновское излучение с чрезвычайно короткими выдержками в 50 фемтосекунд. Быстро доставляя большое количество фотонов в образец, исследователи смогли генерировать достаточно сильный разрешенный во времени сигнал рассеяния, таким образом визуализируя движение атомов в двумерных материалах.
«Поверхностное рентгеновское рассеяние само по себе является достаточно сложной задачей», — сказал Аргоннский физик рентгеновских лучей Хуа Чжоу, автор исследования. «Расширение его до сверхбыстрой науки в однослойных материалах представляет собой серьезный технологический прогресс, который может многое показать нам о том, как атомы ведут себя на поверхностях и на границах раздела материалов».
В двумерных материалах атомы обычно слегка вибрируют вдоль всех трех измерений в статических условиях. Однако в сверхбыстрых временных масштабах возникает другая картина атомного поведения, говорит физик Аргонн и автор исследования Хайдан Вен.
Используя сверхбыстрое поверхностное рентгеновское рассеяние, Вэнь и постдокторский исследователь I-Cheng Tung провели исследование двумерного материала под названием диселенид вольфрама (WSe 2 ). В этом материале каждый атом вольфрама соединяется с двумя атомами селена в форме «V». Когда однослойный материал подвергается воздействию импульса оптического лазера, энергия лазера заставляет атомы перемещаться в плоскости материала, создавая противоречивый эффект.
«Обычно вы ожидаете, что атомы выйдут за пределы плоскости, поскольку там есть доступное пространство», — сказал Вен. «Но здесь мы видим, что они в основном вибрируют внутри самолета сразу после возбуждения».
Эти наблюдения были подтверждены расчетами по первому принципу под руководством Айичиро Накано из Университета Южной Калифорнии и ученого Пьера Даренштета из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), Учебного заведения Министерства образования США.
Группа получила предварительные измерения рассеяния рентгеновских лучей на поверхности в усовершенствованном источнике фотонов (APS) в Аргонне, который также является офисом пользователя Министерства образования США. Эти измерения, хотя они и не проводились на сверхбыстрых скоростях, позволили исследователям откалибровать свой подход для лазера на свободных электронах LCLS, сказал Вен.
Направление атомных сдвигов и способы изменения решетки оказывают существенное влияние на свойства двумерных материалов, таких как WSe 2 , согласно профессору Вашингтонского университета Сяодун Сюй. «Поскольку эти двумерные материалы обладают богатыми физическими свойствами, ученые заинтересованы в их использовании для изучения фундаментальных явлений, а также потенциальных применений в электронике и фотонике», — сказал он. «Визуализация движения атомов в отдельных атомных кристаллах является настоящим прорывом и позволит нам понять и адаптировать свойства материала для технологий, связанных с энергией».
«Это исследование дает нам новый способ исследовать структурные искажения в двумерных материалах по мере их развития и понять, как они связаны с уникальными свойствами этих материалов, которые мы надеемся использовать для электронных устройств, которые используют, излучают или контролируют свет, «добавил Аарон Линденберг, профессор SLAC и Стэнфордского университета и сотрудник по исследованию. «Эти подходы также применимы к широкому классу других интересных и плохо изученных явлений, которые происходят на границах раздела материалов».
Статья, основанная на исследовании «Анизотропная структурная динамика монослойных кристаллов, выявленная с помощью фемтосекундного поверхностного рентгеновского рассеяния», появилась в онлайн-издании Nature Photonics от 11 марта .
Среди других авторов исследования были исследователи из Университета Вашингтона, Университета Южной Калифорнии, Стэнфордского университета, SLAC и Университета Кумамото (Япония). APS, CNM и LCLS являются объектами пользовательских услуг Министерства энергетики США.
